Cách thức mới để tạo ra phản vật chất

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.