Hạt phản vật chất

Nếu là một người theo dõi thường xuyên các chương trình về thiên văn học, khoa học. Chắc chắn đã từng nghe người ta nhắc đến phản vật chất. Thế nhưng ít người hiểu rõ khái niệm phản vật chất là gì? Có rất nhiều bí ẩn xoay quanh nó.

Bạn đang xem: Hạt phản vật chất

Phản vật chất là gì?

Phản vật chất là gì? Được biết đến là một trong những thuật ngữ của vật lý học. Nó được hình thành từ những loại hạt cơ bản như phản electron, phản neutron… Trong một phản ứng vật chất những phản hạt antiparticle sẽ gồm các hạt có khối lượng tương đương nhau. Thế nhưng chúng lại khác dấu với những hạt cơ bản mà con người đã từng biết trước đó. Giống như phản electron hay positron sẽ có cùng khối lượng với electron nhưng lại mang điện tích dương. 

Trong quá trình lưu thông, proton sẽ kết hợp với phản electron rồi hình thành lên hydro. Lúc ấy khi phản vật chất gặp vật chất, chúng sẽ tự động tiêu hủy lẫn nhau. Tất cả sẽ giải phóng các phôtôn chứa năng lượng lớn hay còn gọi là tia gamma hoặc cặp vật chất – phản vật chất. 

Thật sự có phản vật chất hay không? 

Chắc hẳn sau khi hiểu được khái niệm phản vật chất là gì? Sẽ rất nhiều người tò mò không biết phản vật chất có thật hay không? Từ khi khoa học phát triển đã có những giả thuyết về vấn đề này đặt ra. 

Xuất hiện từ trí tưởng tượng con người 

Theo các nhà khoa học, phản vật chất có khởi nguồn từ trí tưởng tượng của con người vào những năm 1930. Giả thuyết về nó bắt đầu hình thành từ bộ phim “Du hành giữa các vì sao”. Trong tác phẩm, phi thuyền không gian được đẩy đi với tốc độ nhanh hơn cả vận tốc ánh sáng nhờ vào nhiên liệu và năng lượng cao. 

Chính ý tưởng này mà phản vật chất được khám phá rồi trở thành hiện thực. Sau đó, người ta tìm ra chúng trên những thiên hà xa xôi tại thời điểm nguyên sinh của vũ trụ. 

Không phải chỉ bắt nguồn từ trí tưởng tượng, từ lâu phản vật chất cũng đã được xây dựng dựa vào nghiên cứu khoa học đến từ nhà vật lý học người Anh Paul Dirac. Với những nghiên cứu cẩn thận và các tính toán vô cùng phức tạp, người đàn ông đã giải thích lý do những vật có kích thước nhỏ thì vận tốc di chuyển càng lớn. Trong đó phải kể đến vận tốc của electron tương đương vận tốc anh sáng. Bên cạnh đó, electron vừa mang điện tích âm lại có cả điện tích dương. 

Từ những điều đó ông đã khẳng định được rằng, mọi hạt đều có đối hạt cùng tính chất nhưng trái ngược về điện tích. 

Phản vật chất xuất hiện từ 13,5 tỷ năm trước 

Tìm hiểu phản vật chất là gì? Theo như thuyết Bigbang, người ta cho rằng chúng hình thành từ 13,5 tỷ năm trước. Khi áy số lượng vật chất và phản vật chất là tương đương nhau. Thế nhưng khi vụ nổ xảy ra, vật chất đã lớn hơn so với phản vật chất. Có nghĩa là mỗi tỷ phản hạt sẽ tạo ra thêm một tỷ và 1 hạt vật chất. 

Đến tháng 10/2002, tại một phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân tại châu Âu. Chính những phản nguyên tử hydro đã tạo thành phản phân tử positron và phản proton. 

Muốn thí nghiệm thành công thì các phản nguyên tử bền vững với nhiệt độ môi trường phải được kiểm soát tuyệt đối. Mức duy trì ở -273 độ C vì nhiệt độ cao phản nguyên tử sẽ kết hợp lại cùng nguyên tử để biến mất tức thì. 

Chính quá trình tạo ra khó khăn mà nhu cầu dùng lại lớn. Nguồn cung thấp hơn cầu nên hiện các phản hydro và phản heli có giá thành đắt đỏ. Nó sẽ rơi vào khoảng 6.25 nghìn tỷ đô la cho 1 gram. Như tính toán của CERN, muốn sản xuất một phần tỷ gram phản vật chất thì số tiền cần phải đến vài triệu franc Thụy Sĩ. 

Phản vật chất được ứng dụng trong lĩnh vực nào? 

Tìm hiểu rõ Phản vật chất là gì? Trong dự án ACE tại CERN được nghiên cứu bởi các nhà khoa học. Phản ứng vật chất chính là một trong những nhân tố đầy tiềm năng và hy vọng để điều trị ung thư. Người ta phát hiện ra rằng, khi chiếu xạ khối u bằng chùm hạt năng lượng sẽ giải phóng ra sau.

 Đặc biệt là khi đi qua những mô khỏe mạnh bình thường khác. Mọi phản proton được sử dụng rồi bổ sung thêm một xung năng lượng nữa. Thí nghiệm đã tiến hành trên chuột đồng rồi trở lên hiệu quả. Nhưng tế bào con người vẫn chưa có bất cứ cuộc thực nghiệm nào để kiểm chứng. 

Cách thức tạo ra phản vật chất

Muốn tạo ra phản vật chất, trước tiên phải hiểu rõ phản vật chất là gì? Chính những nhà khoa học CERN đã phát minh ra cách tạo ra phản vật chất bởi công nghệ và đập nguyên tử. Một đường hầm lớn được tạo ra có hình tròn và thiết kế nhiều bẫy từ trường. 

Tuy nhiên chiều dài của nó chỉ đủ để các hạt nguyên tử khi thả vào sẽ được một gia tốc đủ lớn. Và nó sẽ đạt vận tốc tương đương với vận tốc ánh sáng. Khi chúng lao đến và va đập với mục tiêu có sẵn. Những hạt này sẽ vỡ thành những mảng nhỏ với kích thước nhỏ hơn cả nguyên tử. Bên cạnh đó một số hạt đã bị loại ra khỏi bẫy từ trường. 

Theo ghi nhận, toàn bộ proton được tạo ra từ máy gia tốc cho tới nay cộng dồn sẽ được 15 nanogram. Nhưng tại CERN thì đo được khoảng 1 nanogram hay DESY sẽ xấp xỉ 2 nano gam. Thực tế thì để tạo ra 1g phản vật chất cần đến 25 triệu tỷ KWh với chi phí 1 triệu tỷ đô la Mỹ. 

Khi lưu thông trong tự nhiên, các nhà khoa học cũng tìm thấy được sự hình thành phản vật chất từ đám mây giông lớn. Sau khi được hình thành để lưu trữ phản vật chất thì điều kiện là môi trường chân không. Bởi nó có phản ứng bất kỳ với vật chất nào mà đã tiếp xúc. Vì vậy không thể lưu trữ những thùng chứa từ chất liệu thông thường. 

Những sự thật ít ai biết về phản vật chất 

Những thứ liên quan đến vũ trụ bao la thường là vô tận. Càng tìm hiểu sẽ thấy những bí ẩn được khai thác thêm nhiều hơn. Phản vật chất cũng thế, nó chứa trong mình nhiều những sự thật không phải ai cũng biết. Vậy phản vật chất là gì? Những bí ẩn xung quanh:

Phản vật chất lẽ ra đã hủy hết vật chất trong vũ trụ 

Trong lý thuyết Bigbang, một vụ nổ lớn đã tạo ra vật chất và phản vật chất có lượng ngang nhau. Trường hợp vật chất gặp phản vật chất, chúng sẽ hủy nhau và không để lại gì ngoài năng lượng. Vì vậy trên nguyên tắc sẽ không tồn tại. 

Thế nhưng chúng vẫn đang tồn tại trong một mức nhất định mà các nhà vật lý tính toán. 

Nguyên nhân là vì vào phút chót đã có thêm một hạt vật chất trong mỗi tỉ cặp vật chất và phản vật chất. Đến nay các nhà vật lý vẫn đang nỗ lực để giải thích sự bất đối xứng này. 

Phản vật chất ở gần hơn con người vẫn tưởng 

Từng lượng nhỏ phản vật chất sẽ liên tục rơi xuống vũ trụ theo dạng tia vũ trụ hay các hạt năng lượng cao. Khi các hạt phản vật chất di đến khí quyển sẽ ở tỉ lệ chưa đến một hạt trên m2. Cũng có thể lên đến 100 hạt trên mét vuông. Các nhà khoa học đã phát hiện ra bằng chứng của sự sinh tạo phản vật chất tại đám mây giông. 

Thế nhưng các nguồn phản vật chất ở rất gần bạn. Ví dụ chuối sản sinh ra phản vật chất rồi giải phóng positron. Nó sẽ tương đương với phản vật chất trong electron trong mỗi 75 phút. Hiện tượng này sẽ xảy ra khi chuối chứa lượng nhỏ potassium-40 phân hủy. 

Không chỉ chuối mà ngay cơ thể chúng ta cũng chứa potassium-40 thì các positron cũng sẽ phát ra tại cơ thể người. Tuy nhiên, nó sẽ phân hủy lập tức khi tiếp xúc gần với vật chất nên các hạt phản vật chất sẽ có thời gian sống rất ngắn. 

Lượng phản vật chất con người tạo ra rất nhỏ

Để hiểu rõ sâu hơn phản vật chất là gì? Phản vật chất phân hủy có khả năng giải phóng nguồn năng lượng lớn. Mỗi gram phản vật chất sẽ tạo ra vụ nổ ngang tầm bom hạt nhân. Thế nhưng con người chỉ tạo ra lượng phản vật chất nhỏ vô cùng. Toàn bộ phản proton được tạo ra tại máy gia tốc cộng lại cũng chỉ 15 nanogam.

Xem thêm: Top 10 Xe Bán Chạy Nhất Tại Việt Nam Tháng 8/2021, Top 10 Doanh Số Xe Bán Chạy 2021

Những phản proton được tạo ra tại CERN thì chừng khoảng 1 nanogam. Còn ở DESY (Đức) tính đến nay có xấp xỉ 2 nanogam positron được tạo ra. Trường hợp toàn bộ phản vật chất mà con người tạo ra phân hủy cùng lúc thì năng lượng không đủ đun trà. 

Khó khăn ở chỗ hiệu quả và chi phí sản xuất cũng như cất trữ các phản vật chất. Muốn chế tạo 1 gram phản vật chất đòi hỏi đến khoảng 25 triệu tỷ KWh và tốn hơn một triệu tỷ đô la. 

Bẫy phản vật chất

Muốn nghiên cứu phản vật chất thì cần ngăn nó phân hủy với vật chất, Các nhà khoa học đã tìm ra cách ngăn chặn chúng. Những hạt vật chất mang điện positron với phản proton sẽ được giữ tại dụng cụ Penning. Những dụng cụ này tương tự chiếc máy gia tốc nhỏ. Bên trong của bẫy các hạt chuyển động theo đường xoắn ốc xung quanh từ trường, điện trường. Như thế sẽ ngăn chúng va chạm với thành bẫy. 

Tuy nhiên, bẫy Penning không hoạt động với các hạt trung hòa như phản hydrogen. Vì chúng không mang điện nên hạt này không giam cầm được điện trường. Thay vào đó chúng sẽ ở trong bẫy loffe, khi đó từ trường mạnh dần về mọi hướng. Những hạt bị mắc kẹt tại vùng từ trường yếu nhất giống như một viên bi lăn tròn ở đáy bát. 

Từ trường Trái Đất sẽ mang tác dụng như một bẫy phản vật chất. Mọi phản ứng bao quanh Trái Đất được gọi là vành đai bức xạ Van Allen. 

Phản vật chất có thể rơi

Mọi hạt phản vật chất đều có cùng khối lượng nhưng khác về tính chất và spin. Mô hình chuẩn dự đoán lực hấp dẫn có tác dụng như nhau lên vật chất và phản vật chất. Thế nhưng điều này chưa từng được chứng kiến và thí nghiệm AEGIS, ALPHA đang nỗ lực để xác nhận dự đoán này. 

Việc quan sát tác dụng của lực hấp dẫn lên phản vật chất không dễ như nhìn táo trên cây. Thí nghiệm cần giữ phản vật chất tại bẫy và làm lạnh bằng nhiệt độ gần sát không tuyệt đối. Bởi lực hấp dẫn yếu nhất trong các lực cơ bản nên các nhà vật lý phải dùng đến hạt phản vật chất trung hòa. Như thế mới tránh được sự nhiễu loạn do điện lực tạo ra. 

Phản vật chất nghiên cứu từ máy giảm tốc hạt

Chắc bạn từng nghe nói đến máy gia tốc hạt nhưng ít ai nhìn thấy chiếc máy này. Thực ra nó là một cỗ máy giảm tốc phản Proton, mỗi vòng trữ có thể giữ và làm chậm phản proton. Như thế để nghiên cứu tính chất cũng như hành trạng của chúng.

Khi các vòng máy gia tốc tròn như máy va chạm hadron lớn, hạt nhân sẽ nhận cú hích năng lượng mỗi khi hoàn tất vòng quay. Còn máy giảm tốc hoạt động ngược lại. Chúng không tăng năng lượng, các hạt nhận một cú hích ngược khiến tốc độ chậm lại. 

Neutrino là phản hạt của riêng

Mỗi hạt vật chất và đối hạt phản vật chất sẽ mang điện tích trái dấu nên dễ dàng phân biệt được. Các neutrino này hầu như không có khối lượng lại hiếm khi tương tác với vật chất. Những nhà khoa học tin rằng chúng có thể là các hạt Majorana nên giả thuyết theo phản hạt riêng của chúng. 

Những nghiên cứu như ngầm minh chứng Majorana và EXO-200 có mục tiêu xác định. Để kiểm chứng có hạt majorana hay không bằng việc tìm kiếm hành trạng phân rã beta kép. Một số hạt nhân phóng xạ tự phát phân rã giải phóng hai electron và hai neutrino. Trong các neutrino có phản hạt riêng thì chúng phân hủy nhau sau phân rã beta kép. 

Khi tìm thấy các neutrino majorana giúp giải thích tại sao lại tồn tại sự bất đối xứng phản vật chất. Hầu hết nhà vật lý đều nêu giả thiết hạt này có thể nặng hoặc nhẹ. Hiện nay chúng tồn tại ở thể nhẹ còn chỉ tồn tại thể nặng ngay sau Bigbang thôi. Và các neutrino nặng sẽ phân hủy bất đối xứng dẫn đến dư thừa chút vật chất để vũ trụ của chúng ta tồn tại. 

Phản vật chất ứng dụng trong y khoa

PET sử dụng hai positron để tạo ra ảnh phân giải cao của cơ thể. Những đồng vị phóng xạ phát ra positron được đính các hóa chất như glucose mà cơ thể sử dụng tự nhiên. Các chất này sẽ tiêm vào máy rồi tự chúng phân rã giải phóng positron tới gặp electron trong cơ thể. Phân hủy đó tạo ra gamma dùng để dựng lại hình ảnh. 

Ứng dụng phản vật chất là gì trong y khoa? Ở dự án ACE chỉ ra nghiên cứu phản vật chất với vai trò ứng cử viên tiềm năng chữa bệnh ung thư. Các bác sĩ phát hiện ra có thể chiếu xạ khối u bằng chùm hạt giải phóng năng lượng. Đương nhiên khi chúng an toàn đi qua mô khỏe mạnh. Nhưng phải sử dụng phản proton bổ sung thêm xung năng lượng nữa. Kỹ thuật đã hiệu nghiệm khi thí nghiệm với chuột đồng. 

Phản vật chất ngăn sự tồn tại có thể ẩn náu trong không gian

Một cách mà nhà khoa học theo đuổi nhằm giải bài toán bất đối xứng phản vật chất. Nó tìm kiếm phản vật chất sót lại từ thời Bigbang. Quang phổ kế là máy dò lắp đặt tại trạm vũ trụ quốc tế đã tìm kiếm hạt này. Nó chứa từ trường bẻ cong đường đi hạt vũ trụ nhằm phân tách vật chất khỏi phản vật chất. Còn các detector sẽ ước định và nhận dạng hạt đi qua chúng. 

Những va chạm tia vũ trụ đều đặn sản sinh positron và phản proton. Nhưng xác suất tạo ra nguyên tử phản helium sẽ cực kỳ thấp. Chính nó đòi hỏi năng lượng rất lớn. Như thế có nghĩa việc quan sát thấy dù chỉ là một hạt nhân phản helium thôi cũng có bằng chứng mạnh mẽ. Nó khẳng định có sự tồn tại một lượng vật chất đâu đó trong vũ trụ. 

Thông qua bài viết này chắc mọi người đã hiểu phản vật chất là gì? Bên cạnh đó cũng đã cung cấp cho mọi người một số điều chưa biết về phản vũ trụ. Đến nay những bí ẩn về năng lượng phản vũ trụ vẫn là một ẩn số mà con người cần khám phá.