Vật chất và phản vật chất trong vũ trụ

Từ một nhà nghiên cứu hạt cơ bản trên máy gia tốc, vào đầu những năm 1990, J.Cronin đứng ra sáng lập và lãnh đạo Đề án quốc tế Pierre Auger, đặt trụ sở chính ở Argentina, nhằm nghiên cứu tia vũ trụ năng lượng rất cao để luận giải về mối quan hệ giữa các hạt cơ bản vô cùng nhỏ bé với vũ trụ vô cùng bao la xa thẳm. Một số nhà vật lý trẻ Việt Nam , thuộc viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân ở Hà Nội, đang được J. Cronin giúp đỡ để có thể tham gia đề án quốc tế nói trên.

Dưới đây chúng tôi xin trích tóm tắt nội dung của buổi nói chuyên của GS J. Cronin vào ngày 4-8-2006, tại giảng đường Ngụy Như Kon Tum. Đại học Quốc gia Hà Nội, về một đề tài Vật chất và Phản vật chất trong vũ trụ.

Đối xứng CP, phản vật chất là gì?

Chúng ta đều biết vật chất (matter) được “xây” nên từ các “viên gạch” gọi là nguyên tử. Còn nguyên tử thì lại được cấu thành từ các cấu phần gọi là hạt cơ bản (elementary particle) như proton, nơtron, electron, v.v. Vậy thì, trong tự nhiên, có tồn tại những cấu phần mà hầu hết các tính chất (như khối lượng, spin…) đều giống proton, nơtron, electron, v.v.,nhưng lại chứa điện tích trái dấu không?

Năm 1932, các nhà khoa học khám phá ra một loại hạt đến từ vũ trụ, có khối lượng bằng electron, nhưng mang điện tích trái dấu: electron chứa điện âm, thì nó chứa điện dương. Đó nó phản-hạt của electron, được đặt tên là positron.

Và rồi, tương tự như thế, người ta lần lượt khám phá ra các phản-hạt của proton, của nơtron, tức là các phản-proton, phản-nơtron. Vậy thì, các vật thể được cấu thành từ các phản-hạt như phản-proton, phản-nơtron, phản-electron (tức positron) là gì vậy? Thuật ngữ vật lý gọi nó là phản-vật chất (antimatter). Chữ phản ở đây không hàm chứa về mặt đạo đức! Ngoại trừ điện tích ra, các tính chất vật lý khác của vật chất và phản vật chất đều như nhau.

Một phản-proton có thể kết hợp với một phản-electron để tạo thành một phản-nguyên tử hyđro lắm chứ! Rồi các phản-nguyên tử lại kết hợp để tạo thành các vật thể muôn hình vạn trạng trên các phản-hành tinh quay xung quanh một phản-mặt trời.

Và, trên một phản-hành tinh nào đó, có thể xuất hiện những… phản-người! Nếu người và phản-người cứ sống biệt lập với nhau trong hai hệ song hành, thì cũng chẳng sao! Nhưng, nếu hai bên gặp nhau, tay bắt mặt mừng, thì liền xảy ra thảm họa khủng khiểp: Vật chất trong cơ thể người lập tức hủy phản-vật chất trong cơ thể phản-người (do chứa điện tích trái dấu)! Và cái duy nhất còn lại chỉ là… bức xạ ánh sáng!

Rất may, Tự nhiên không “vô tư”! Trái lại, “ông ta” có phần “thiên vị” vật chất và “hững hờ” với phản vật chất! Nhờ thế, chúng ta mới được sống và đang sống trong một vũ trụ tạo thành chủ yếu bằng… vật chất. Giữa Vũ trụ này, không có những đám phản-vật chất phục sẵn ở đâu đó trong bóng tối, rồi bất thình lình lộ diện, làm tiêu ma vật chất, hủy diệt con người!

Như vậy không có sự đối xứng giữa vật chất và phản-vật chất trong Vũ trụ của chúng ta (từ Vũ trụ viết hoa như một tên riêng, bởi vì biết đâu còn có nhiều vũ trụ khác nữa).

Năm 1964, J. Cronin và V. Fitch cùng những người cộng tác đã khám phá ra rằng Tự nhiên đôi khi vi phạm đối xứng CP, tức đối xứng điện tích ( chargelà viết tắt là C) cũng như đối xứng gương hay còn gọi là đối xứng chẵn lẻ ( parity, viết tắt là P) khi hai ông quan sát rất kỹ sự phân rã của một hạt vật chất gọi là meson K (còn gọi là kaon).

Nếu Tự nhiên không vi phạm đối xứng CP, thì hạt meson K (có thời gian sống dài hơn) bao giờ cũng phải phân hủy thành 3 hạt khác có tên là meson pi(còn gọi là pion). Nhưng, thi thoảng đôi khi hạt meson K này thay vì phân rã thành 3, lại phân rã thành… 2 hạt meson pi! Trong cuốn sách rất hay Hỗn độn và hài hòa, nhà vật lý thiên văn Trịnh Xuân Thuân gọi cách “hành xử” đó là thói… “đỏng đảnh nhiễu sự của Tự nhiên”!