Phương trình Einstein '100 năm tuổi' lần đầu tiên được sử dụng để tạo ra vật chất từ ánh sáng

Cụ thể, nếu cho hai photon, các hạt mang năng lượng của ánh sáng, đập vào nhau đủ mạnh, bạn có thể tạo ra được vật chất dưới dạng một electron và một phản vật chất đối lập với nó, một positron.

Từ lý thuyết này, vào năm 1934 các nhà vật lý Mỹ Gregory Breit và John Wheeler đã đề xuất một quy trình để tạo ra vật chất từ ánh sáng, được gọi là quy trình Breit-Wheeler. Tuy nhiên cho đến nay, quy trình này vẫn là một trong những thách thức khó khăn nhất của ngành vật lý – chủ yếu bởi vì các photon va chạm cần phải là các tia gamma năng lượng cao, một điều hiện bất khả thi đối với cá nhà khoa học.

Nhiều thử nghiệm thay thế khác đã chỉ ra rằng vật chất được tạo ra từ nhiều photon, nhưng chúng lại không đủ các dữ liệu cần thiết để chứng minh một cách rõ ràng quy trình nói trên.

Mới đây, các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven ở New York thông báo rằng họ đã tìm ra một lối đi vòng để vượt qua trở ngại đó.

Sử dụng thiết bị của phòng thí nghiệm có tên gọi Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC – Máy va chạm Ion nặng Tương đối tính), họ có thể tạo ra các phép đo phù hợp với những dự đoán về hành vi kỳ lạ của các hạt.

"Trong nghiên cứu của mình, Breit và Wheeler đã nhận ra rằng điều gần như bất khả thi." Zhangbu Xu, nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Brookhaven, cho biết. "(Vào thời điểm đó) laser thậm chí còn chưa tồn tại! Nhưng Breit và Wheeler đã đề xuất một giải pháp thay thế: tăng tốc các hạt ion. Và giải pháp thay thế của họ chính xác là những gì chúng tôi đang làm với RHIC."

Thay vì trực tiếp gia tốc các hạt photon, các nhà nghiên cứu tăng tốc 2 ion vàng – các hạt nhân nguyên tử đã bị loại bỏ electron và vì vậy có điện tích dương – trong một máy gia tốc lặp lớn, trước khi cho chúng đi qua nhau và va chạm. Khi các hạt mang điện này di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, chúng cũng mang theo một trường điện từ xung quanh mình. Bên trong trường điện từ này là một đám mây các hạt photon "ảo" đi cùng chúng.

Các hạt ảo là những hạt chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn khi có sự nhiễu loạn trong các trường tồn tại giữa các hạt thực. Chúng không có cùng khối lượng với các hạt thực giống chúng (nhưng không giống các hạt photon thực không có khối lượng, các hạt photon ảo lại có khối lượng).

Trong thí nghiệm này, khi các ion lướt qua nhau ở khoảng cách gần, hai đám mây photon ảo của chúng chuyển động nhanh đến mức chúng hoạt động như thể chúng có thật. Kết quả là khi các hạt ảo này va chạm vào nhau – các nhà khoa học phát hiện thấy chúng tạo ra một cặp positron và electron rất giống thật.

Nói cách khác, trong khi chưa thể tạo ra các photon thật đủ nhanh để va chạm vào nhau tạo ra vật chất, các nhà khoa học đã cho các "photon ảo" xung quanh những ion tốc độ cao va chạm nhau. Với cặp electron-positron - hay cặp vật chất và phản vật chất - mà họ phát hiện ra từ thí nghiệm, các photon ảo cho thấy cũng có thể sinh ra vật chất.

Để chắc chắn phát hiện này có thể chứng minh cho quy trình Breit-Wheeler hay các hạt ảo càng giống thật càng tốt, các nhà vật lý phải đảm bảo rằng những photon ảo của họ hoạt động giống như các hạt thật. Để kiểm tra hành vi của các hạt photon ảo, các nhà vật lý phát hiện và phân tích các góc tạo thành của hơn 6.000 cặp electron-positron được tạo ra từ thí nghiệm này.

Khi hai hạt thật va chạm vào nhau, sản phẩm phụ được tạo ra ở các góc khác nhau so với khi các hạt được tạo ra từ hai hạt ảo. Nhưng trong thí nghiệm này, sản phẩm phụ bật ra từ va chạm của các hạt ảo bật có góc tương tự như sản phẩm phụ từ các hạt thật. Vì vậy, các nhà nghiên cứu có thể xác nhận rằng những hạt mà họ nhìn thấy đang hoạt động như thể chúng được tạo ra bởi một tương tác thực sự. Cuối cùng họ đã chứng minh thành công quy trình Breit-Wheeler.

Các nhà nghiên cứu cũng đo lường mức năng lượng và sự phân tán của hệ chất này. "Chúng đồng nhất với các tính toán lý thuyết về những gì sẽ xảy ra với các hạt photon thật." Daniel Brandenburg, nhà vật lý học tại Brookhaven, cho biết trong tuyên bố.

Dù sao đi nữa, ngay cả khi các photon ảo này hoạt động giống như hạt thật, không thể phủ nhận chúng vẫn là các hạt ảo. Điều này làm dấy lên câu hỏi liệu thí nghiệm này trình diễn đúng với quy trình Breit-Wheelr hay không, nhưng đây rõ ràng là bước tiến quan trọng đầu tiên cho đến khi các nhà vật lý phát triển được tia laser đủ mạnh để trình diễn quy trình này bằng các photon thật.

 Theo Tạp chí Điện tử