Vật lý hạt đã mở ra một kỷ nguyên mới trong việc khám phá vũ trụ, từ những bí ẩn của hạt hạ nguyên tử đến các hiện tượng kỳ lạ của không gian và thời gian. Trong một bước tiến đột phá, các nhà khoa học có thể sắp phải viết lại sách giáo khoa vật lý nếu những phát hiện mới đây được xác nhận. Các thí nghiệm tại Fermilab của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho thấy một lực mới có thể đang hoạt động, không tuân theo các định luật vật lý hiện hành.
Phát Hiện Bất Thường về Hạt Muon và Lực Tự Nhiên Thứ Năm
Tại Fermilab, các nhà nghiên cứu đã tiến hành một thí nghiệm quan trọng bằng cách cho các hạt muon, tương tự như electron nhưng nặng hơn 200 lần, di chuyển qua một vòng tròn có đường kính khoảng 15 mét. Họ đã đo được sự dao động từ tính của muon và phát hiện ra rằng nó không thể được giải thích bằng Mô hình Chuẩn của vật lý hạt. Điều này có thể chỉ ra sự tồn tại của một lực thứ năm trong tự nhiên mà chúng ta chưa từng biết đến.
Hạt muon, một hạt mang điện tích âm và có từ tính, được tạo ra tự nhiên khi các tia vũ trụ tương tác với bầu khí quyển của Trái Đất. Giống như một con quay, muon dao động khi chúng di chuyển trong một từ trường mạnh. Kết quả mới nhất từ Fermilab đã củng cố các phát hiện trước đó vào năm 2021, nhưng dựa trên lượng dữ liệu lớn hơn gấp 4 lần, làm tăng thêm tính thuyết phục cho khám phá này.
Dấu Hiệu Về Một Vật Lý Mới
Brandon Casey, một nhà khoa học cấp cao tại Fermilab, cho biết, “Chúng tôi đang tìm kiếm một dấu hiệu cho thấy muon đang tương tác với một thứ gì đó mà chúng ta chưa biết. Nó có thể là một hạt mới, một lực mới, chiều không gian mới, một tính chất mới của không gian – thời gian, hoặc bất cứ điều gì khác.” Các kết quả này gợi ý về một tính chất mới của không gian – thời gian hoặc sự vi phạm bất biến Lorentz, một nguyên lý quan trọng trong vật lý.
Trong nhiều thế kỷ, các nhà khoa học đã nỗ lực tìm hiểu cơ chế hoạt động của vũ trụ ở cấp độ hạ nguyên tử. Mô hình Chuẩn, được phát triển vào những năm 1970, là một lý thuyết giải thích cách vũ trụ hoạt động ở cấp độ này. Theo đó, mọi thứ trong vũ trụ được tạo thành từ các hạt cơ bản, chịu sự chi phối của bốn lực: lực mạnh, lực yếu, lực điện từ và lực hấp dẫn.
Mặc dù Mô hình Chuẩn đã thành công trong việc dự đoán nhiều hiện tượng, nó vẫn không thể giải thích một số bí ẩn lớn, chẳng hạn như bản chất của vật chất tối và sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất. Thí nghiệm Muon g-2 tại Fermilab đã nghiên cứu sự dao động của các hạt muon trong từ trường, và phát hiện ra những sai lệch so với dự đoán của Mô hình Chuẩn.
Thí Nghiệm Muon g-2 và Những Khám Phá Mới
Thí nghiệm Muon g-2 được thực hiện ở nhiệt độ cực thấp (-268 độ C) bằng cách bắn các hạt muon vào một vòng tròn chứa từ trường siêu dẫn. Muon di chuyển hàng nghìn lần trong vòng tròn với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Các nhà khoa học đo lường sự dao động của chúng khi tương tác với các hạt hạ nguyên tử khác.
Theo lý thuyết, mô men từ của muon, khả năng của một hạt nằm thẳng hàng với từ trường, phải lớn hơn hai một chút. Tuy nhiên, kết quả đo mới cho thấy mô men từ của muon lớn hơn khoảng 0.2% so với dự kiến. Dù là một con số nhỏ, nhưng nó mang ý nghĩa quan trọng. Nhóm nghiên cứu đang tiếp tục phân tích thêm dữ liệu để có được phép đo chính xác hơn, nhưng những phát hiện hiện tại đã gợi ý về sự tồn tại của một lực hoặc hạt chưa biết đến.
Ảnh Hưởng của Phát Hiện Mới Đến Hiểu Biết Vũ Trụ
Phát hiện này có thể là một bước ngoặt trong vật lý hạt, tương tự như việc khám phá ra hạt Higgs vào năm 2012. Nó có thể thay đổi cách chúng ta hiểu về các lực cơ bản và mở ra những hướng nghiên cứu mới trong vật lý.
Thời Gian Trôi Chậm Hơn 5 Lần Trong Vũ Trụ Sơ Khai
Ngoài các phát hiện về vật lý hạt, các nhà khoa học còn thu được những hiểu biết mới về quá khứ của vũ trụ. Các nhà thiên văn học đã quan sát thấy thời gian trôi chậm hơn 5 lần trong vũ trụ sơ khai, thời điểm vũ trụ mới 1 tỷ năm tuổi.
Hiện tượng này đã được Albert Einstein dự đoán từ hơn một thế kỷ trước trong thuyết tương đối rộng của ông. Khi vũ trụ giãn nở, ánh sáng phát ra từ các thiên thể xa xôi bị kéo giãn ra, làm cho bước sóng của nó dài hơn và đỏ hơn. Độ trễ thời gian giữa các xung ánh sáng cũng bị kéo giãn, khiến cho thời gian dường như trôi chậm hơn.
Chuẩn Tinh: Đồng Hồ Vũ Trụ Cho Thời Kỳ Sơ Khai
Để khám phá hiện tượng này, các nhà thiên văn học đã sử dụng chuẩn tinh, những thiên thể cực sáng ở xa. Các chuẩn tinh có thể hoạt động như một “đồng hồ vũ trụ” để đo lường tốc độ thời gian trong quá khứ.
Trước đây, các nhà khoa học chủ yếu tập trung vào siêu tân tinh, những vụ nổ sao khổng lồ, để nghiên cứu dòng thời gian trong vũ trụ sơ khai. Tuy nhiên, chuẩn tinh phức tạp hơn, giống như một màn bắn pháo hoa liên tục. Các nhà nghiên cứu đã giải mã màn trình diễn pháo hoa này để sử dụng chúng làm dấu hiệu thời gian tiêu chuẩn.
Kết quả cho thấy rằng hiệu ứng giãn nở thời gian hiện diện ở mọi quy mô vũ trụ và trở nên rõ ràng hơn khi khoảng cách càng xa. Điều này xác nhận thuyết tương đối của Einstein và bác bỏ các nghiên cứu trước đó không phát hiện ra hiệu ứng này.
Tảng Đá Hình Bánh Răng trên Sao Hỏa
Trong một diễn biến khác, xe tự hành Perseverance của NASA đã phát hiện một tảng đá có hình dạng kỳ lạ trên Sao Hỏa, giống như một chiếc bánh vòng. Tảng đá này có thể được hình thành do quá trình xói mòn, chủ yếu do gió và bão cát, trên bề mặt hành tinh đỏ.
Các tảng đá có hình dạng kỳ lạ là một đặc điểm phổ biến trên Sao Hỏa do sự xói mòn kéo dài trong điều kiện không có nước. Các cơn bão cát trên Sao Hỏa, có thể kéo dài nhiều tháng, có vai trò quan trọng trong việc định hình cảnh quan của hành tinh.
Kết Luận
Những khám phá mới này trong vật lý hạt, thiên văn học và khám phá Sao Hỏa cho thấy sự tiến bộ không ngừng của khoa học trong việc khám phá bí ẩn của vũ trụ. Phát hiện về lực thứ năm có thể cách mạng hóa hiểu biết của chúng ta về các định luật vật lý cơ bản. Đồng thời, những nghiên cứu về vũ trụ sơ khai và các tảng đá kỳ lạ trên Sao Hỏa tiếp tục mang đến những cái nhìn mới mẻ về quá khứ và hiện tại của vũ trụ. Những phát hiện này sẽ tiếp tục thúc đẩy các nghiên cứu trong tương lai, hướng đến việc giải mã những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ.