Các nhà vật lí tại trường Đại học California, Riverside, Hoa Kỳ, đã phát hiện ra cách mới để tạo positronium, một nguyên tử kỳ lạ và chỉ tồn tại trong khoảng thời gian ngắn và chính nguyên tử này có thể giúp trả lời cho những gì đã xảy ra với phản vật chất trong vũ trụ, giải thích lý do, tính chất g...
Các nhà vật lí tại trường Đại học California, Riverside, Hoa Kỳ, đã phát hiện ra cách mới để tạo positronium, một nguyên tử kỳ lạ và chỉ tồn tại trong khoảng thời gian ngắn và chính nguyên tử này có thể giúp trả lời cho những gì đã xảy ra với phản vật chất trong vũ trụ, giải thích lý do, tính chất gì của phản vật chất đã giúp tạo dựng nên vũ trụ.
Positronium được tạo thành bởi một electron và phản vật chất sinh đôi của chính nó, positron. Positronium có các ứng dụng trong việc phát triển chụp cắt lớp phát xạ positron chính xác hơn hay còn gọi là quét (PET) và nghiên cứu vật lý cơ bản.
Gần đây, phản vật chất trở thành đề tài nóng bỏng khi các nhà khoa học ở CERN, tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu, bẫy được các nguyên tử phản hydrogen trong khoảng hơn 15 phút. Cho đến lúc đó, sự hiện diện của các phản nguyên tử được ghi nhận chỉ trong các phần của một giây.
Các nhà vật lý học tại Đại học UC Riverside, Hoa Kỳ
Trong phòng thí nghiệm tại Đại học UC Riverside, Hoa Kỳ, các nhà vật lý đầu tiên cho các mẫu silicon đã chiếu xạ tiếp xúc với ánh sáng laser. Tiếp theo họ cấy positron trên bề mặt của silicon. Họ phát hiện ra ánh sáng laser giải phóng điện tử silicon sau đó liên kết với các positron để hình thành positronium.
"Với phương pháp này, một số lượng đáng kể của positronium có thể được sản xuất trong một phạm vi nhiệt độ rộng và hoàn toàn có thể kiểm soát được," theo David Cassidy, nhà khoa học dự án, trợ lý trong phân ban Vật lý và Thiên văn học, người đang thực hiện nghiên cứu với đồng nghiệp. "Các phương pháp khác để tạo ra positronium từ bề mặt đòi hỏi làm nóng mẫu ở nhiệt độ rất cao. Phương pháp của chúng tôi làm việc ở hầu hết các ngưỡng nhiệt độ, bao gồm ngưỡng nhiệt độ rất thấp."
Cassidy giải thích khi các positron được cấy vào vật liệu, chúng có thể bị bẫy trên bề mặt vật liệu, và sẽ nhanh chóng tìm ra và tiêu diệt các điện tử.
"Trong thí nghiệm, chúng tôi nhận thấy chiếu xạ bề mặt vật liệu bằng tia laser trước khi positron chạm đến các điện tử sẽ tạo điều kiện cho các positron rời khỏi bề mặt vật liệu và tránh việc các điện tử bị chúng tiêu diệt", theo Allen Mills, giáo sư vật lý và thiên văn học, đồng nghiệp của Cassidy tại phòng thí nghiệm. "Đây là cách thức tạo thành positronium, một cách tự phát, positronium được phát ra từ bề mặt vật liệu. Positronium tự do tồn tại lâu hơn 200 lần dài so với pozittron trên bề mặt vật liệu, nên chúng dễ bị phát hiện".
Kết quả nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Physical Review Letters, số ra ngày 15 Tháng 7 năm 2011.
Các nhà nghiên cứu chọn silicon trong các thử nghiệm của họ vì có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử, vững chắc, rẻ tiền và hoạt động có hiệu quả.
"Thật vậy, ở nhiệt độ rất thấp, Silicon là vật liệu tốt nhất để sản xuất ra positronium, ít nhất là trong các vụ nổ ngắn", Cassidy nói.
Mục tiêu sau cùng của nhà nghiên cứu là thực hiện các phép đo chính xác trên positronium để hiểu rõ hơn về phản vật chất và các đặc tính của nó, cũng như tìm kiếm cách thức cô lập nó trong thời gian dài hơn.
Cassidy và Mills đã được mời tham gia vào nghiên cứu bởi giáo sư Harry Tom, và là chủ tịch Hội vật lý và thiên văn học, và Tomu H. Hisakado, một nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Mills.
Trong tương lai gần, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ làm mát positronium để cấp phát năng lượng dưới sử dụng thí nghiệm khác, và tạo cũng "Bose - Einstein condensate" cho positronium - tập hợp các nguyên tử positronium ở trạng thái lượng tử giống nhau.
"Việc tạo ra một Bose - Einstein của positronium thực sự sẽ đẩy ranh giới của gì là có thể có trong điều khoản của phép đo chính xác thực", Cassidy nói. "Các phép đo như vậy sáng tỏ hơn tính chất của phản vật chất và giúp chúng tôi thăm dò thêm tại sao có sự không đối xứng giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ".
Nghiên cứu này được tài trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia và phòng thí nghiệm nghiên cứu Không quân Hoa Kỳ.
Các nhà vật lý tại Đại học California, Riverside, Hoa Kỳ, vừa công bố một phương pháp mới tạo ra positronium, nguyên tử kỳ lạ chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn. Positronium gồm một electron và positron, phản vật chất sinh đôi của electron, vì vậy nó trở thành công cụ đặc biệt để nghiên cứu những bí ẩn sâu xa của vũ trụ. Từ nguyên tử mong manh này, giới khoa học hy vọng tìm thêm manh mối về số phận phản vật chất, cũng như nguyên nhân vật chất thống trị vũ trụ hiện nay.
Positronium trước hết có giá trị trong nghiên cứu vật lý cơ bản, nơi các nhà khoa học khảo sát những tính chất khác thường của vật chất và phản vật chất. Nó còn có thể hỗ trợ phát triển công nghệ chụp cắt lớp phát xạ positron chính xác hơn, thường được biết đến với tên gọi quét PET. Mối quan tâm dành cho phản vật chất tăng mạnh sau khi các nhà khoa học tại CERN, tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu, bẫy được nguyên tử phản hydrogen trong hơn 15 phút.
Trước thành tựu tại CERN, các phản nguyên tử thường chỉ được ghi nhận tồn tại trong những khoảng thời gian tính bằng phần nhỏ của một giây. Trong thí nghiệm mới, nhóm nghiên cứu UC Riverside bắt đầu bằng việc chiếu ánh sáng laser lên những mẫu silicon, sau đó đưa positron vào bề mặt vật liệu. Họ phát hiện ánh sáng laser giải phóng các electron khỏi silicon, tạo điều kiện để những electron này liên kết với positron và hình thành positronium.
David Cassidy, nhà khoa học dự án kiêm trợ lý tại Phân ban Vật lý và Thiên văn học, cho biết phương pháp mới có thể tạo ra lượng positronium đáng kể trong phạm vi nhiệt độ rộng. Điểm nổi bật nằm ở khả năng kiểm soát quá trình tạo thành nguyên tử, thay vì phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ cực cao như nhiều kỹ thuật khác. Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp này vẫn hoạt động ở hầu hết ngưỡng nhiệt độ, kể cả những môi trường có nhiệt độ rất thấp.
Khi positron được cấy vào vật liệu, chúng có thể bị giữ lại trên bề mặt, nơi chúng nhanh chóng tìm thấy electron rồi xảy ra quá trình hủy cặp. Allen Mills, giáo sư Vật lý và Thiên văn học tại UC Riverside, giải thích rằng việc chiếu laser trước khi positron tiếp xúc với electron giúp positron rời khỏi bề mặt dễ dàng hơn. Nhờ vậy, positron tránh bị hủy sớm, đồng thời có cơ hội kết hợp với electron để tạo thành positronium tự do phát ra khỏi vật liệu.
Positronium tự do tồn tại lâu hơn positronium nằm trên bề mặt vật liệu khoảng 200 lần, khiến nó dễ được phát hiện và đo đạc hơn trong các thí nghiệm. Sự khác biệt về thời gian tồn tại này đặc biệt quan trọng, bởi các nhà nghiên cứu cần đủ thời gian quan sát để xác định chính xác đặc tính của nguyên tử phản vật chất. Kết quả nghiên cứu được đăng trên tạp chí Physical Review Letters trong số phát hành ngày 15 tháng 7 năm 2011.
Nhóm nghiên cứu chọn silicon vì vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong điện tử, có độ bền cao, giá thành thấp và hoạt động hiệu quả. Cassidy nhận định silicon đặc biệt phù hợp để sản xuất positronium ở nhiệt độ rất thấp, ít nhất trong những đợt phát positronium ngắn. Lựa chọn vật liệu quen thuộc, dễ kiểm soát giúp phương pháp mới có thêm tiềm năng ứng dụng trong những thí nghiệm vật lý chính xác.
Mục tiêu lâu dài của nhóm là thực hiện các phép đo chính xác hơn trên positronium, qua đó làm rõ tính chất phản vật chất và tìm cách cô lập nguyên tử này lâu hơn. Trong tương lai gần, họ muốn làm lạnh positronium để giảm năng lượng, phục vụ những thí nghiệm tiếp theo, đồng thời hướng tới việc tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein của positronium. Trạng thái này tập hợp các nguyên tử positronium trong cùng một trạng thái lượng tử, có thể mở rộng giới hạn đo lường, soi rõ sự bất đối xứng vật chất và phản vật chất, với kinh phí từ Quỹ Khoa học Quốc gia và Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân Hoa Kỳ.
