Lực hạt nhân yếu không yếu lắm

Bằng chứng cho lực hạt nhân yếu này phát sinh từ sự phân hủy của các muon, về cơ bản là những họ hàng nặng hơn của electron, một trong những viên gạch cấu trúc của các nguyên tử.

Giống hệt như các nhà sinh học thỉnh thoảng nghiên cứu những sinh vật nhỏ bé nhất và phù du nhất như nhặng trái cây, chúng sống trong chừng một ngày, để tìm hiểu về bệnh tật ở người, các nhà vật lí thường nghiên cứu tính chất của các hạt tồn tại trong một phần nhỏ của một giây để tìm hiểu về vũ trụ.

Hạt muon chỉ sống trong khoảng 2 phần triệu của một giây – 2 micro giây – nằm xa ngoài tầm nhạy của con người nhưng đủ lâu cho các nhà khoa học thực hiện các phép đo chi tiết. Hiện trạng ngành điện tử học kĩ thuật số tiên tiến đến mức những phép đo ngắn hơn con số này nhiều, thậm chí đến phần nghìn tỉ của một giây hoặc ngắn hơn, cũng có thể dễ dàng thực hiện được.

Việc quan sát phân hủy muon không giống như việc đặt một máy đếm Geiger ở gần một chiếc hộp đựng đầy uranium phóng xạ. Đó là vì các muon có thời gian sống ngắn đến mức chúng phải phân hủy lần nữa, như thể chúng là đồng vị phóng xạ y khoa vậy. Tại Viện Paul Scherrer ở Thụy Sĩ, một chùm proton chuyên dụng đã được sử dụng để tạo ra các va chạm giữa muon với một tấm bia graphite.

Sau đó, các nhà nghiên cứu thu thập một chùm muon đạt yêu cầu, lái chúng và làm dừng chúng trong tấm bia kim loại riêng của chúng, tấm bia được bao quanh bởi một máy dò hạt có thể lần ra vết tích sự qua đời của các muon. Sự phân hủy của hơn 2 nghìn tỉ muon mang lại giá trị tốt nhất cho thời gian sống trung bình của muon. Thời gian đó là 2,1969803 micro giây.

“Đây là sự xác định thời gian sống chính xác nhất của bất kì trạng thái nào trong thế giới nguyên tử hoặc hạ nguyên tử”, phát biểu của David Hertzog, một trong những người lãnh đạo thí nghiệm trên và là giáo sư tại trường Đại học Washington ở Seattle.

Thời gian sống này, được biết với sai số một phần triệu, chính xác đến mức nó có thể được sử dụng để thực hiện một phép xác định mới của cường độ nội tại của lực hạt nhân yếu, lực chỉ tác dụng trong phạm vi rất ngắn bên trong hạt nhân nguyên tử.

Các nhà khoa học biết có bốn lực cơ bản. Lực hấp dẫn, một dạng hút tương hỗ lẫn nhau, giữ cho Trái đất quay xung quanh Mặt trời và giữ không cho chúng ta trôi nổi vào trong không gian vũ trụ. Lực điện từ giữ các nguyên tử lại với nhau, giữ các nguyên tử liên kết thành các phân tử, thúc ép sự chuyển động của các electron trong dây dẫn tạo thành dòng điện, và là cơ sở cho sóng ánh sáng. Lực hạt nhân mạnh giữ hạt nhân lại với nhau và gây ra một số dạng phóng xạ.

Lực hạt nhân yếu, lực thứ tư và là lực cuối cùng được các nhà vật lí phát hiện ra hồi thế kỉ thứ 20, giúp biến đổi proton thành neutron bên trong mặt trời, một bước cần thiết trong sự biến đổi các proton đó thành các nguyên tố nặng hơn như helium và giải phóng năng lượng bức xạ truyền về phía Trái đất. Lực yếu còn tác dụng lúc hàng tỉ năm trước đây, bên trong các ngôi sao đang bùng nổ gọi là sao siêu mới, để sản xuất các nguyên tố như oxyen và carbon tìm thấy trong cơ thể của chúng ta và các sinh vật tự nhiên khác trên Trái đất.

Cường độ của lực yếu được gói gọn trong một con số gọi là hằng số Fermi, đặt theo tên nhà khoa học người Mĩ gốc Italy, Enrico Fermi. Hertzog cho biết giá trị mới cho hằng số Fermi lớn hơn khoảng 0,00075% so với giá trị trước đây. Như vậy, lực yếu hơi mạnh hơn cái chúng ta vẫn nghĩ một đôi chút.

William Marciano, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Long Island, New York, có ấn tượng mạnh với thí nghiệm muon trên. “Đó là một phép đo khó nhưng thật đẹp, được thực hiện bởi một nhóm nghiên cứu rất tài năng và giàu kinh nghiệm”.

Marciano còn cho biết các muon, vốn sống ngắn như thế, có sức hấp dẫn riêng của chúng, và thật sự rất thực tiễn. Các muon đã được sử dụng để nghiên cứu các kim tự tháp ở Ai Cập. Các muon có thể được tạo ra trong khí quyển bởi các tia vũ trụ đến, những dòng hạt bí ẩn đến từ không gian sâu thẳm ngoài kia. Vì những muon này có thể đâm xuyên qua những lượng lớn chất liệu mà không dừng lại, bất chấp thời gian sống ngắn ngủi của chúng, nên chúng được sử dụng làm một dạng “máy quét y khoa” dùng để khảo sát các hốc rỗng nằm ẩn bên trong kim tự tháp, bằng cách đặt các máy dò bên trên và bên trong tầng hầm đó.

Marciano nói các muon còn có thể hữu ích đối với việc chụp ảnh y khoa và quét các thùng chứa hàng hóa để tìm các chất liệu hạt nhân giấu bên trong đó.

Một vị chuyên gia khác về lực yếu, giáo sư Michael Ramsey-Musolf ở trường Đại học Wisconsin, thì xem thí nghiệm muon trên là một công trình thành tựu khéo léo. Điều quan trọng đối với ông là sai số của thời gian sống muon hiện nay đã giảm đi 10 lần. Nhưng ông còn cho biết rằng một thời gian sống chính xác hơn và một kiến thức chính xác hơn của cường độ lực hạt nhân yếu chỉ cho chúng ta biết thêm chút ít về tự nhiên mà thôi.

“Điều này gợi ý rằng mặt trời thật sự đốt cháy rực rỡ hơn và sự phân hủy của các hạt nhân có phần nhanh hơn”, Ramsey-Musolf nói.

Nguồn: Inside Science News Service, PhysOrg.com