Lần đo lường đầu tiên về sự tương tác của các phản proton

Lần đo lường đầu tiên về sự tương tác của các phản proton – phản vật chất tương ứng của các proton – đã được hoàn thành bởi một nhóm các nhà vật lí quốc tế làm việc tại Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) (máy gia tốc ion nặng mang tính tương đối) ở phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, New York.

Đội ngũ này là một phần của STAR, đồng hợp tác với RIHC, đã khám phá ra các tương tác giữa hai phản proton cũng tương đồng với tương tác của hai proton; đây là nghiên cứu đầu tiên cho thấy tương tác của các phản proton là lực hút. Các phản proton có cũng khối lượng nhưng mang điện tích khác dấu với các proton thông thường, và hiểu rõ cách tương tác của các hạt cơ bản là mục đích chính của vật lí hạt nhân.

Thí nghiệm RHIC sử dụng sự va chạm giữa hai dòng ion nguyên tử vàng, đã được gia tốc tới tốc độ ánh sáng, nhằm sinh ra các hạt mới. Sự va chạm này đã phá vỡ các proton và nơtron trong nguyên tử vàng thành các hạt quark, và các quark này tổ hợp thành hơn một ngàn hạt khác, trong đó có các phản proton.

Proton là một hạt cơ bản tồn tại trong hạt nhân nguyên tử. Nó có điện tích dương, và được bao quanh bởi các nơtron không mang điện. Cả proton và nơtron đều được gọi chung là các nucleon, chúng tạo thành từ các quark, tương tác với nhau bởi lực tương tác hạt nhân mạnh, gắn kết các hạt lại với nhau và làm cho nguyên tử cực kì bền vững.

Lực tương tác hạt nhân mạnh là lực hút có phạm vi tác động trong khoảng cách 1 femtomet (10^-15 met), nhưng khi ở các khoảng cách nhỏ hơn thì nó trở thành lực đẩy, và ở các khoảng cách lớn hơn thì nó nhanh chóng giảm xuống, gần như không còn đáng kể. Nó là lực mạnh hơn lực điện từ 60 lần, nếu hai proton cách nhau 1 femtomet thì tương tác giữa chúng cũng là lực hút.

Phản vật chất rất khó để nghiên cứu, vì nó sẽ tự hủy ngay khi tương tác với vật chất. Phản hydro, phản heli, và các đồng vị của chúng đều đã được tiến hành quan sát nhưng đây là lần đầu tiên thực sự đo được lực tương tác giữa các nucleon.

Vật chất và phản vật chất có tính đối xứng cực cao, chúng giống như hình ảnh phản chiếu của nhau. Sự đối xứng này không phải là hoàn toàn, và các định luật vật lí về sự khởi nguồn của vũ trụ có vẻ ưa thích vật chất hơn phản vật chất. Chúng giải thích vì sao chúng ta quan sát vật chất xung quanh mình, và chỉ có thể tạo ra phản vật chất trong phòng thí nghiệm.  Hiểu được bản chất về “cách cư xử” của phản vật chất có thể cho chúng ta các thông tin quan trọng về bản chất của tự nhiên.

Bài báo này được công bố trên tờ Nature.