Photon là boson hay fermion??
Các nhà vật lý thường kể cho chúng ta nghe câu chuyện rất cơ bản về hai loại hạt là boson với mômen động lượng riêng (hay spin) là số nguyên, và loại hạt fermion với spin bán nguyên. Boson bao gồm cả các hạt vật chuyển lực ví dụ như các photon, W, và Z, và chúng tuân theo hàm phân bố Bose – Einstein. Một hệ quả quan trọng của sự phân bố này là có thể có nhiều boson cùng tự do chiếm lĩnh cùng một trạng thái lượng tử, dẫn đến một hiện tượng gọi là hiện tượng ngưng tụ Bose-Einstein và sự tạo thành laser.Trong khi đó, fermion bao gồm các hạt vật chất cơ bản (ví dụ như quark, electron…) và bị chi phối bởi phân bố Fermi – Dirac. Các fermion khác nhau không thể cùng tồn tại trong một trạng thái lượng tử, và đưa đến cho chúng ta các cấu trúc vỏ nguyên tử và các tính chất hóa học …
Lý giải không đơn giản
Nguyên lý mà các hạt với spin nguyên bị chi phối bởi thống kê Bose-Einstein trong khi đó các hạt có spin bán nguyên thì theo các tính chất Fermi-Dirac được chứng minh bởi toán học của lý thuyết trường lượng tử. Nhưng nhiều nhà vật lý, kể cả sau này là Richard Feynman, đã từng gặp những vấn đề với một thực tế rằng không có một lý giải đơn giản nào cho sự liên hệ này và nó tạo ra những sự thừa nhận đơn giản. Thật vậy, người ta từng cố suy xét rằng sự thừa nhận này có thể không thể giữ được trong các lý thuyết tổng quát hơn, ví dụ như lý thuyết dây.Dmitry Budker và Damon English của Đại học California, Berkeley đã đi đến quyết định họ cần phải tiến hành kiểm chứng nguyên lý này, được biết đến như là định lý phân bố spin (spin-statistic theorem) trước đó. Họ biết rằng cơ hội để bác bỏ một lý thuyết là rất nhỏ, nhưng vẫn cho rằng điều này dù sao vẫn rất quan trọng để tiến hành thí nghiệm. Và như Budker chỉ ra, sự phát hiện của sự vi phạm đối xứng (CP violation) trong vật lý hạt cũng là không được đoán trước, và cũng không có ngay lập tức một “kháng án” lý thuyết nào nhưng nay nó đã là trong những cấu tử chính trong việc lý giải tại sao vũ trụ lại chứa vật chất sáng và chất tối. “ Thí nghiệm của chúng tôi có độ rủi ro cao nhưng trả giá cũng rất đáng ” – Dmitry Budker nói – “ trong đó chúng tôi cực kỳ không ý định phản bác lại những lý thuyết cũ nhưng nếu chúng tôi làm được, nó có thể sẽ là một phát hiện mang tính cách mạng ”.Budker và English cùng với Valeriy Yashchuk ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Berkeley đã nghiên cứu hai trường hợp riêng của quá trình hấp tụ hai photon của các nguyên tử Barium (Ba) trong đó mômen động lượng tổng cộng của các nguyên tử sẽ dịch chuyển từ 0 đến 1. Cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng không thể xây dựng một hàm sóng hai hạt với một mômen động lượng tổng cộng là 0 nếu hàm sóng là đối xứng (với sự trao đổi hạt) như là một trường hợp cho các boson khác nhau. Mặt khác, nếu các photon là boson thì không thể xảy ra một quá trình hấp thụ một cặp photon có cùng tần số.
Không có hấp thụ
Các nhà nghiên cứu đã chiếu hai chùm tia laser xanh (green laser) từ hướng ngược nhau vào một chùm nguyên tử Barium được chứa trong một hốc quang học với năng lượng kết hợp của hai photon bằng với năng lượng hấp thụ của nguyên tử Barium (hình 1). Và họ đã tìm ra rằng các tần số của hai chùm tia khác nhau chút ít so với một hấp thụ được quan sát bằng cách đo photon phát ra từ Barium khi hủy kích thích. Nhưng họ không quan sát được sự hấp thụ đó khi các tần số là khác nhau, và chứng minh rằng photon thực sự là boson.Budker và David DeMille (nay làm tại Đại học Yale), đã từng công bố các kết quả về một thí nghiệm tương tự được tiến hành năm 1999, cũng từng chỉ ra rằng photon có các hành vi của boson. Tuy nhiên, thí nghiệm mới đây chính xác hơn rất nhiều nhờ sự cải tiến của thí nghiệm để giảm thiểu sự bất định của kết quả tới ba cấp – chứng minh rằng kết quả mới tốt hơn tới mức 4 phần 10 11với độ tự tin trên 90%. Theo Budker, độ chính xác có thể được cải tiến từ 100 đến 1000 lần bằng cách cải tiến độ ổn định của các chùm laser và tăng cường hiệu suất, và giảm thiểu các nhiễu từ các detector.
Lợi ích thực tế
Budker bổ xung rằng thí nghiệm trên thực tế mang lại nhiều lợi ích. Ông nói rằng chúng có thể đo được những quá trình chuyển mức hai photon cực yếu bởi sự tách mức siêu tinh tế mà trước đó chưa thể phát hiện và có thể được sử dụng trong loại đồng hồ nguyên tử mới siêu chính xác. Có thể xem chi tiết công trình này trên bài báo mới xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters .
