PHẢN VẬT CHẤT HÌNH THÀNH DỄ ĐẾN MỨC NÀO?

Phản vật chất có rơi giống như vật chất thông thường không? Các thí nghiệm tại máy giảm tốc phản proton AD/ELENA của CERN kiểm tra các đối xứng cơ bản của vật lý bằng phản hydro: một phản proton liên kết với một positron, ảnh qua gương của nguyên tử hydro. Trong số đó, GBAR — “Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest” (Hành vi hấp dẫn của phản vật chất ở trạng thái nghỉ) — được xây dựng để đo gia tốc của phản hydro trong trọng trường Trái Đất.

Con đường của GBAR khá khác thường. Các thí nghiệm khác lắp ráp phản hydro bằng cách trộn phản proton và positron trong một cái bẫy. GBAR thì dự định thực hiện hai bước trao đổi điện tích với positronium (Ps), một nguyên tử kỳ lạ gồm một electron và một positron:

p̄ + Ps → H̄ + e⁻: một phản proton chộp lấy positron và trở thành phản hydro;
H̄ + Ps → H̄⁺ + e⁻: phản hydro chộp lấy positron thứ hai và trở thành một ion dương.

Ion đó có thể được làm lạnh bằng các ion beri, rồi một tia laser tách positron dư ra, để lại các nguyên tử phản hydro ở khoảng 10 microkelvin — đủ lạnh cho một thí nghiệm rơi tự do.

Biết được xác suất

Năm 2023, nhóm hợp tác đã chứng minh rằng bước 1 hoạt động với positronium ở trạng thái cơ bản. Nhưng họ không thể nói phản ứng đó có khả năng xảy ra đến mức nào — một đại lượng mà các nhà vật lý gọi là tiết diện, tức diện tích mục tiêu hiệu dụng mà một phản proton phải bắn trúng. Không có nó, không ai có thể dự đoán toàn bộ thí nghiệm sẽ tạo ra bao nhiêu nguyên tử.

Phản ứng tương đương với vật chất thông thường — một proton lấy một positron để trở thành hydro — mới chỉ được đo một lần, bởi Merrison và các cộng sự năm 1997, trong khoảng từ 11 đến 16 kiloelectronvolt.

Hai chùm tia trong một khoang nhỏ xíu

Từ năm 2023, nhóm đã tăng tốc độ sản xuất lên mười lần. Ở một phía, positron từ một máy gia tốc nhỏ được tích lũy trong các bẫy: khoảng 300 triệu giữa hai lần bắn phản proton, cứ hai phút một lần. Khoảng 100 triệu trong số đó tới được một khoang rộng khoảng 2 milimét và dài 2 xentimét, được lót bằng silica xốp biến một phần trong số chúng thành positronium. Mỗi lần bắn để lại một đám mây bán giam giữ gồm khoảng 6 triệu nguyên tử positronium.

Ở phía kia, ELENA cung cấp các bó gồm 12 triệu phản proton. GBAR làm chậm chúng lại, bẫy chúng, làm lạnh chúng bằng electron, rồi bắn các bó 5–6 triệu hạt xuyên qua khoang ở mức 4 hoặc 6 kiloelectronvolt, canh thời gian sao cho chúng đi qua đám mây positronium. Phản hydro nào được tạo ra đều trung hòa về điện: nó bay thẳng tới một máy dò cách 1,6 mét phía sau, trong khi các phản proton còn lại bị làm lệch đi.

Hàng trăm phản nguyên tử, một con số

So sánh hàng nghìn lần bắn có và không có positron, máy dò đếm được 379 ± 35 nguyên tử phản hydro ở 6 keV và 69 ± 19 ở 4 keV — khoảng 392 và 71 sau khi hiệu chỉnh hiệu suất của máy dò. Kết hợp với việc đếm cẩn thận số phản proton và nguyên tử positronium tham gia, cũng như mức độ chồng lấp của hai xung trong không gian và thời gian, điều này cho ra tiết diện:

(14,1 ± 1,3) × 10⁻¹⁶ cm² ở 6,2 keV;
(8,7 ± 2,4) × 10⁻¹⁶ cm² ở 4,15 keV (độ bất định thống kê; độ bất định hệ thống được liệt kê riêng trong bài báo).

Đây là phép đo đầu tiên về tiết diện trao đổi điện tích được thực hiện với chùm phản proton, với độ bất định nhỏ hơn phép đo năm 1997 với vật chất thông thường.

Lý thuyết vượt qua bài kiểm tra

Các phép tính ban đầu dựa trên cái gọi là xấp xỉ Born không thống nhất với nhau — điều không đáng ngạc nhiên, các tác giả lưu ý, vì năng lượng va chạm trong hệ quy chiếu khối tâm chỉ khoảng 6,5 electronvolt ở 6 keV. Hai phương pháp hiện đại giải trọn vẹn bài toán lượng tử ba vật: phương pháp Liên kết Gần Hội tụ (Convergent Close Coupling) và các phương trình Faddeev–Merkuriev. Chúng khớp với nhau và, theo báo cáo của nhóm, cho thấy “sự phù hợp tuyệt vời” với dữ liệu mới.

Tiếp theo: ion, rồi đến cú rơi

Đây chưa phải là một phép kiểm tra lực hấp dẫn. Bước tiếp theo của GBAR là đo phản ứng thứ hai, phản ứng tạo ra ion phản hydro, bắt đầu với phản ứng tương tự của vật chất thông thường bằng các ion hydro âm từ ELENA. Cùng nhau, hai tốc độ phản ứng sẽ xác định số nguyên tử siêu lạnh mà thí nghiệm có thể thả rơi — và do đó, mức độ chính xác mà nó có thể cho biết liệu phản vật chất có rơi giống như vật chất hay không.