Liệu có thời điểm nào trong ngày hay đêm mà hạt cơ bản nặng nhất của tự nhiên ngừng tuân theo các quy tắc của Einstein không? Câu trả lời cho câu hỏi đó, dù có vẻ kỳ lạ, có thể cho các nhà khoa học biết điều gì đó rất quan trọng về các định luật vật lý chi phối vũ trụ.
Trong một thí nghiệm đầu tiên thuộc loại này được tiến hành tại máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới, Máy va chạm Hadron lớn (LHC), các nhà khoa học đã cố gắng khám phá xem liệu hạt cơ bản nặng nhất của vũ trụ — một hạt không bao gồm các hạt nhỏ hơn khác — có luôn tuân theo thuyết tương đối hẹp năm 1905 của Einstein hay không.
Cụ thể hơn, nhóm vận hành máy dò Compact Muon Solenoid (CMS) của LHC muốn biết liệu một trong những quy tắc mà thuyết tương đối hẹp được xây dựng, được gọi là "đối xứng Lorentz", có luôn đúng đối với các quark đỉnh hay không.
Đối xứng Lorentz nêu rằng các định luật vật lý phải giống nhau đối với tất cả người quan sát không tăng tốc. Điều đó có nghĩa là kết quả của một thí nghiệm phải độc lập với hướng của thí nghiệm hoặc tốc độ mà nó chạy.
Tuy nhiên, một số lý thuyết cho rằng, ở mức năng lượng cực cao, thuyết tương đối hẹp sẽ thất bại do vi phạm Lorentz hoặc phá vỡ đối xứng Lorentz.
Do đó, các định luật vật lý có thể khác nhau đối với những người quan sát trong các hệ quy chiếu khác nhau. Điều đó có nghĩa là các quan sát thực nghiệm sẽ phụ thuộc vào hướng của thí nghiệm trong không-thời gian (sự thống nhất bốn chiều của không gian và thời gian). Điều đó sẽ dẫn đến sự thay đổi trong nhiều lý thuyết tốt nhất của chúng ta về vũ trụ, bao gồm cả mô hình chuẩn của vật lý hạt, được xây dựng dựa trên thuyết tương đối hẹp.
"Những tàn dư của sự phá vỡ đối xứng Lorentz như vậy có thể quan sát được ở các mức năng lượng thấp hơn, chẳng hạn như ở các mức năng lượng của LHC, nhưng bất chấp những nỗ lực trước đó, chúng vẫn chưa được tìm thấy tại LHC hoặc các máy va chạm khác", nhóm cộng tác CMS đã viết trong một tuyên bố.
Nhóm CMS bắt đầu tìm kiếm những tàn dư như vậy của sự phá vỡ đối xứng Lorentz bằng cách sử dụng các cặp hạt cơ bản nặng nhất của tự nhiên, quark đỉnh.
Có sáu "hương vị" của quark với khối lượng tăng dần: lên, xuống (có trong proton và neutron), quyến rũ, lạ, trên cùng và dưới cùng. Nặng nhất trong số này là quark đỉnh, có khối lượng tương đương với một nguyên tử vàng (khoảng 173 giga-electronvolt).
Các nhà nghiên cứu CMS lý luận rằng, nếu các va chạm giữa các proton được tăng tốc đến tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng trong LHC phụ thuộc vào hướng, thì tốc độ mà các cặp quark đỉnh được tạo ra bởi các sự kiện như vậy sẽ thay đổi theo thời gian.
Đó là bởi vì khi Trái Đất quay, hướng của các chùm proton được tạo ra để va chạm các hạt trong máy gia tốc hạt mạnh sẽ thay đổi. Do đó, hướng của các quark đỉnh được tạo ra bởi các va chạm như vậy cũng phải thay đổi.
Điều đó có nghĩa là số lượng quark được tạo ra phải phụ thuộc vào thời điểm trong ngày mà các va chạm xảy ra!
Do đó, nếu có một hướng ưa thích trong không gian-thời gian và các dấu hiệu phá vỡ đối xứng Lorentz, thì phải có độ lệch so với tốc độ sản xuất cặp quark đỉnh không đổi trong LHC phụ thuộc vào thời điểm trong ngày mà thí nghiệm được tiến hành!
Sử dụng dữ liệu từ Lần chạy 2 của LHC, được tiến hành từ năm 2015 đến năm 2018, nhóm cộng tác CMS không tìm thấy độ lệch nào như vậy.
Điều đó có nghĩa là họ không tìm thấy dấu hiệu nào cho thấy tính đối xứng Lorentz bị phá vỡ, và do đó không có bằng chứng nào cho thấy các quark đỉnh thách thức Einstein bất kể chùm proton được định hướng theo cách nào (hoặc va chạm xảy ra vào thời điểm nào trong ngày).
Vì vậy, thuyết tương đối của Einstein vẫn an toàn suốt ngày đêm. Vâng, ít nhất là cho đến bây giờ.
Các bài viết liên quan:
—Những câu chuyện kỳ lạ về vật lý hạt khiến chúng ta kinh ngạc vào năm 2023
—Một muon nhỏ bé, lắc lư vừa làm rung chuyển vật lý hạt đến tận gốc rễ
—Một hạt Higgs mới lạ có thể đã đánh cắp phản vật chất khỏi vũ trụ của chúng ta
Lần chạy thử thứ ba và mạnh mẽ hơn của LHC đã bắt đầu vào năm 2022 và dự kiến kết thúc vào năm sau. Nhóm nghiên cứu sẽ tìm kiếm các dấu hiệu phá vỡ đối xứng Lorentz trong các vụ va chạm proton-proton năng lượng cao hơn.
"Các kết quả mở đường cho các cuộc tìm kiếm trong tương lai về sự phá vỡ đối xứng Lorentz dựa trên dữ liệu quark đỉnh từ lần chạy thứ ba của LHC", nhóm cộng tác CMS viết. "Chúng cũng mở ra cánh cửa để xem xét kỹ lưỡng các quá trình liên quan đến các hạt nặng khác mà chỉ có thể được nghiên cứu tại LHC, chẳng hạn như boson Higgs và W và Z boson."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào cuối năm 2024 trên tạp chí Vật lý Thư B.
Trong một thí nghiệm đầu tiên thuộc loại này được tiến hành tại máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới, Máy va chạm Hadron lớn (LHC), các nhà khoa học đã cố gắng khám phá xem liệu hạt cơ bản nặng nhất của vũ trụ — một hạt không bao gồm các hạt nhỏ hơn khác — có luôn tuân theo thuyết tương đối hẹp năm 1905 của Einstein hay không.
Cụ thể hơn, nhóm vận hành máy dò Compact Muon Solenoid (CMS) của LHC muốn biết liệu một trong những quy tắc mà thuyết tương đối hẹp được xây dựng, được gọi là "đối xứng Lorentz", có luôn đúng đối với các quark đỉnh hay không.
Đối xứng Lorentz nêu rằng các định luật vật lý phải giống nhau đối với tất cả người quan sát không tăng tốc. Điều đó có nghĩa là kết quả của một thí nghiệm phải độc lập với hướng của thí nghiệm hoặc tốc độ mà nó chạy.
Tuy nhiên, một số lý thuyết cho rằng, ở mức năng lượng cực cao, thuyết tương đối hẹp sẽ thất bại do vi phạm Lorentz hoặc phá vỡ đối xứng Lorentz.
Do đó, các định luật vật lý có thể khác nhau đối với những người quan sát trong các hệ quy chiếu khác nhau. Điều đó có nghĩa là các quan sát thực nghiệm sẽ phụ thuộc vào hướng của thí nghiệm trong không-thời gian (sự thống nhất bốn chiều của không gian và thời gian). Điều đó sẽ dẫn đến sự thay đổi trong nhiều lý thuyết tốt nhất của chúng ta về vũ trụ, bao gồm cả mô hình chuẩn của vật lý hạt, được xây dựng dựa trên thuyết tương đối hẹp.
"Những tàn dư của sự phá vỡ đối xứng Lorentz như vậy có thể quan sát được ở các mức năng lượng thấp hơn, chẳng hạn như ở các mức năng lượng của LHC, nhưng bất chấp những nỗ lực trước đó, chúng vẫn chưa được tìm thấy tại LHC hoặc các máy va chạm khác", nhóm cộng tác CMS đã viết trong một tuyên bố.
Nhóm CMS bắt đầu tìm kiếm những tàn dư như vậy của sự phá vỡ đối xứng Lorentz bằng cách sử dụng các cặp hạt cơ bản nặng nhất của tự nhiên, quark đỉnh.
Quark quanh đồng hồ!
Quark là các hạt trong mô hình chuẩn của vật lý hạt liên kết với nhau và bao gồm các hạt như proton và neutron.Có sáu "hương vị" của quark với khối lượng tăng dần: lên, xuống (có trong proton và neutron), quyến rũ, lạ, trên cùng và dưới cùng. Nặng nhất trong số này là quark đỉnh, có khối lượng tương đương với một nguyên tử vàng (khoảng 173 giga-electronvolt).
Các nhà nghiên cứu CMS lý luận rằng, nếu các va chạm giữa các proton được tăng tốc đến tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng trong LHC phụ thuộc vào hướng, thì tốc độ mà các cặp quark đỉnh được tạo ra bởi các sự kiện như vậy sẽ thay đổi theo thời gian.
Đó là bởi vì khi Trái Đất quay, hướng của các chùm proton được tạo ra để va chạm các hạt trong máy gia tốc hạt mạnh sẽ thay đổi. Do đó, hướng của các quark đỉnh được tạo ra bởi các va chạm như vậy cũng phải thay đổi.
Điều đó có nghĩa là số lượng quark được tạo ra phải phụ thuộc vào thời điểm trong ngày mà các va chạm xảy ra!
Do đó, nếu có một hướng ưa thích trong không gian-thời gian và các dấu hiệu phá vỡ đối xứng Lorentz, thì phải có độ lệch so với tốc độ sản xuất cặp quark đỉnh không đổi trong LHC phụ thuộc vào thời điểm trong ngày mà thí nghiệm được tiến hành!
Sử dụng dữ liệu từ Lần chạy 2 của LHC, được tiến hành từ năm 2015 đến năm 2018, nhóm cộng tác CMS không tìm thấy độ lệch nào như vậy.
Điều đó có nghĩa là họ không tìm thấy dấu hiệu nào cho thấy tính đối xứng Lorentz bị phá vỡ, và do đó không có bằng chứng nào cho thấy các quark đỉnh thách thức Einstein bất kể chùm proton được định hướng theo cách nào (hoặc va chạm xảy ra vào thời điểm nào trong ngày).
Vì vậy, thuyết tương đối của Einstein vẫn an toàn suốt ngày đêm. Vâng, ít nhất là cho đến bây giờ.
Các bài viết liên quan:
—Những câu chuyện kỳ lạ về vật lý hạt khiến chúng ta kinh ngạc vào năm 2023
—Một muon nhỏ bé, lắc lư vừa làm rung chuyển vật lý hạt đến tận gốc rễ
—Một hạt Higgs mới lạ có thể đã đánh cắp phản vật chất khỏi vũ trụ của chúng ta
Lần chạy thử thứ ba và mạnh mẽ hơn của LHC đã bắt đầu vào năm 2022 và dự kiến kết thúc vào năm sau. Nhóm nghiên cứu sẽ tìm kiếm các dấu hiệu phá vỡ đối xứng Lorentz trong các vụ va chạm proton-proton năng lượng cao hơn.
"Các kết quả mở đường cho các cuộc tìm kiếm trong tương lai về sự phá vỡ đối xứng Lorentz dựa trên dữ liệu quark đỉnh từ lần chạy thứ ba của LHC", nhóm cộng tác CMS viết. "Chúng cũng mở ra cánh cửa để xem xét kỹ lưỡng các quá trình liên quan đến các hạt nặng khác mà chỉ có thể được nghiên cứu tại LHC, chẳng hạn như boson Higgs và W và Z boson."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào cuối năm 2024 trên tạp chí Vật lý Thư B.
