Tìm thấy bằng chứng thuyết phục đầu tiên về 'hạt thiên thần'

Các nhà khoa học Mỹ tìm thấy bằng chứng chứng minh "hạt thiên thần" tồn tại. Ảnh: spgirolamo.

Mọi hạt cơ bản trong vũ trụ đều có phản hạt, loại hạt có cùng khối lượng nhưng mang điện tích trái dấu. Nếu một hạt gặp phản hạt của nó, cả hai sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Tuy nhiên, từ lâu các nhà vật lý đưa ra giả thuyết về trường hợp ngoại lệ, khi các hạt thực chất là phản hạt của chính nó.

Giả thuyết này xuất hiện từ năm 1937 khi nhà vật lý học người Italy Ettore Majorana chỉ ra chỗ khuyết trong dòng hạt fermion (hạt vật chất). Các hạt proton, electron, neutron, neutrino and quark đều là hạt fermion và tất cả đều có phản hạt tương ứng. Nhưng theo tính toán của Majorana, còn thiếu loại hạt đồng thời là phản hạt của chính nó. Giới nghiên cứu gọi chúng là hạt Majorana.

Để tìm ra hạt Majorana, nhóm nghiên cứu cẩn thận dính hai tấm phim mỏng làm từ hai vật liệu lượng tử chồng lên nhau. Kết quả là một tấm cách điện topo siêu dẫn (topological là dạng không gian mà đặc tính của vật chất được bảo toàn qua các biến dạng). Tấm cách điện này cho phép electron di chuyển nhanh dọc theo mép của bề mặt vật liệu mà không chạy qua trung tâm.

Khi các nhà nghiên cứu rải thêm một lượng nhỏ vật liệu từ, dòng electron chảy theo một hướng dọc mép bên này và hướng ngược lại ở mép bên kia. Sau đó, họ rà nam châm qua vật liệu, khiến tất cả electron di chuyển chậm dần, cuối cùng dừng lại và đảo hướng. Các giả hạt bắt đầu xuất hiện từ vật liệu theo từng cặp, di chuyển cùng hướng với electron. Điều khác biệt quan trọng là khi dừng lại và đảo chiều, giả hạt dịch chuyển trên quãng đường bằng đúng một nửa so với electron, bởi mỗi giả hạt chỉ là một nửa của hạt. Hiện tượng này chính là bằng chứng chỉ ra sự tồn tại của hạt Majorana.

Nhóm nghiên cứu đặt tên loại hạt mới là "hạt thiên thần", lấy cảm hứng từ quả bom kết hợp vật chất và phản vật chất trong tiểu thuyết Thiên thần và Ác quỷ của nhà văn Dan Brown. Theo giáo sư Shoucheng Zhang ở Đại học Stanford, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, trong tương lai xa, hạt Majorana có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất máy tính lượng tử tốc độ siêu nhanh. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science hôm 21/1.

Tuy nhiên, nhóm của giáo sư Zhang không thực sự nhìn thấy các hạt thiên thần. Trên thực tế, họ nhận ra các dấu hiệu cơ bản về vật chất bị kích thích, hoạt động giống hạt Majorana, theo giáo sư Giorgio Gratta đến từ Đại học Stanford.

Giáo sư Gratta cho biết kết quả nghiên cứu là "pháo hiệu" cho thấy sự tồn tại của loại hạt Majorana, nhưng các nhà khoa học chưa rõ các hạt thiên thần có tồn tại trong tự nhiên hay không. "Có vẻ như chúng rất khó xuất hiện ra ở bất kỳ đâu trong vũ trụ", giáo sư Gratta nói.

"Chúng tôi có thể dự đoán chuẩn xác nơi nào có thể tìm ra hạt Majorana, nhờ vào các dấu hiệu có được trong thí nghiệm", giáo sư Zhan chia sẻ. "Phát hiện này kết thúc một trong những cuộc tìm kiếm chuyên sâu nhất trong vật lý cơ bản vốn đã kéo dài suốt 80 năm qua".