Đi tìm sự thật về ‘siêu hạt’ nhanh hơn ánh sáng

Thuyết tương đối cho rằng không loại hạt nào có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ của ánh sáng trong chân không. Cho nên những kết luận rút ra từ thí nghiệm của CERN vừa qua là bất thường - chúng bác bỏ một điều vốn được viết trong sách giáo khoa từ bậc phổ thông đến đại học. Tuy nhiên sau khi tranh luận sôi nổi, các nhà khoa học quyết định chưa nhận định gì về những kết luận này và tiến hành việc kiểm tra lại các thí nghiệm.

Phòng thí nghiệm OPERA nơi thực hiện thí nghiệm.

Vào ngày 20/9 vừa qua, xuất hiện thông báo của nhóm các nhà khoa học Phòng thí nghiệm OPERA, đặt ngầm dưới đất tại Gran-Sasso (Italia) rằng, họ đã thu được những dẫn chứng cho thấy neutrino chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Điều này được phát hiện một cách tình cờ - thực ra các nhà nghiên cứu chỉ có ý định tìm hiểu sự hình thành các hạt gọi là tau-neutrino (một loại hạt rất ít khi gặp trong các máy gia tốc, mà trước đây họ mới chỉ quan sát thấy một lần vào năm 2000 trên máy gia tốc “Tevatron”) mà thôi.

Để làm được điều này OPERA cần có một chùm muy-neutrino thuần khiết có năng lượng trung bình 17GeV xuất phát từ CERN, phóng tới bia đặt tại Gran-Sasso, cách đó 730 kilomet (theo đường thẳng, xuyên qua lòng đất).

Nguồn phát ra chùm neutrino này là máy gia tốc siêu-proton (superproton cyclotron), một cỗ máy điện-chân không đặc biệt, với các đường hầm chân không gần như tròn, trong đó các hạt được gia tốc dần tới khi đạt tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng nhờ các nam châm điện cực mạnh bố trí trên đường chuyển động của chúng. Các proton thường, có năng lượng đếni 400 GeV và hướng vào bia (đích ngắm) bằng graphit.

Kết quả là những proton bị đưa lên tốc độ cao, khi đụng độ với bia sinh ra các hạt pion và caon (hai hạt nhẹ trong nhóm meson, tạo thành một cặp quark). Đến lượt mình, chúng hướng tới đường hầm dài hàng kilomet, vượt qua những khoảng cách nào đó và với tốc độ “điên cuồng” ấy, chúng bị phân huỷ thành những hạt khác nữa, trong số này có cả các neutrino.

Các nhà khoa học không phát hiện được hiện tượng này xảy ra ở vị trí nào trong đường hầm nhưng họ có thể ghi lại sự hiện diện của neutrino trên máy dò (detector) của OPERA.

Thí nghiệm này kéo dài khoảng 2 năm (và sau đó các nhà nghiên cứu đã bỏ ra 3 năm để phân tích những kết quả thu được). Người ta đã xác định được là, trong suốt thời gian này, có khoảng 10 (mũ 20) proton đập vào bia, trong khi máy dò của OPERA ghi được 16111 sự kiện (lần va đập). Trong tháng 7 vừa qua họ còn ghi nhận được cả sự có mặt của tau-neutrino rất khó phát hiện và điều này làm các nhà vật lý tại Gran-Sasso rất thích thú.

Ngoài ra, người ta còn khám phá ra một hiện tượng đáng chú ý nữa là – theo tính toán, đa số các hạt neutrino xuất hiện trước 60 nano-giây so với các tính toán (trung bình các hạt vượt qua khoảng cách này trong thời gian là 3 miligiây). Và trong các lần thí nghiệm ấy đã xảy ra với số neutrino không ít – khoảng 16.000 -, cho phép coi con số này là đủ về mặt thống kê.

Các hạt neutrino đã bay một đường thẳng xuyên qua lòng đất giữa 2 phòng thí nghiệm.

Kết luận duy nhất có thể rút ra từ các quan sát đó là neutrino đã chuyển động với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng (vì không thể cho rằng loại hạt xuyên qua được mọi vật cản như neutrino lại chuyển động “bằng con đường khác” để rút ngắn khoảng cách). Cần phải thấy rằng những phát hiện ấy trước hết làm các những người trực tiếp làm thí nghiệm phải sửng sốt – vì nó mâu thuẫn với lý thuyết là không có gì chuyển động nhanh hơn ánh sáng trong chân không. Thuật lại về điều này, một trong những nhà khoa học nổi tiếng là giáo sư Atonia Eraditato, trường Đại học Berne nói: “Lúc đầu chúng tôi không tin vào chính mình, đã cố gắng tìm ra mọi cách để tự phản biện. Sau đó bắt đầu tìm kiếm những sai sót để giải thích hiện tượng “vô lý” này. Nhưng chúng tôi vẫn không tìm ra”.

Không phát hiện ra sai sót, có nghĩa là đành phải thừa nhận sự tồn tại của những neutrino “nhanh hơn ánh sáng”. Nhưng các nhà vật lý không vội vàng kết luận về một điều hết sức cơ bản như thế. Sau khi các nhà khoa học tại OPERA thông báo về những thí nghiệm của mình, người ta tập trung vào việc phát hiện ra những gì không đáng tin cậy trong việc đánh giá tốc độ của những hạt.

Như đã nói trên, không thể xác định chính xác khoảng cách mà neutrino đã vượt qua – không ai biết là những gì đã xảy ra trên đường đi của chúng. Hơn nữa, các nhà vật lý vẫn chưa hiểu được bằng cách nào proton, được tăng tốc và đập vào bia và sau đó lại sinh ra từng neutrino cụ thể, mà máy dò ở Gran-Sasso ghi nhận được.

Vẫn chưa thể có bất cứ kết luận nào về tốc độ hạt neutrino.

Thiếu sót này của thí nghiệm cần được hiệu chỉnh về phương pháp. Bởi vì khoảng thời gian (trong thí nghiệm đo bằng nano-giây) mỗi đợt proton va chạm với bia là lớn, lên tới 10,5 micro-giây, nên các nhà khoa học đành quan sát, không phải từng lần máy dò ghi nhận nữa, mà cả một tập hợp các lần va chạm, nói cách khác, không ghi sự “hiện diện” của từng neutrino riêng lẻ mà của một “đám” neutrino.

Về vấn đề này, vẫn chưa biết được hạt nào trong đám neutrino ấy sinh ra vào lúc nào và ở vị trí nào (và từ chính proton nào). Vì thế, dù có phát hiện một sai lầm nghiêm trọng, thì trong những cuộc thảo luận giữa các tác giả nghiên cứu đề tài, chưa ai có thể chỉ ra được phương pháp xử lý số liệu sai lầm ở chỗ nào. Và thực ra không thể làm được điều này, vì không thay đổi được một cách chính các điều kiện tiến hành thí nghiệm.

Vừa đây, tại CERN người ta lại bắt đầu làm thí nghiệm kiểm tra, mà họ cho rằng có thể hoặc khẳng định, hoặc phủ định những số liệu thu được vào tháng 9 vừa qua. Giám đốc CERN phụ trách nghiên cứu khoa học Sergio Bertholucci tuyên bố: “Mấy hôm trước, các nhà vật lý đã bắt đầu gửi những chùm tia mới từ CERN đến Gran-Sasso”.

Lần này, để tăng độ chính xác của những phép đo, các nhà khoa học đã sử dụng những xung neutrino ngắn hơn nhiều - chỉ kéo dài 1-2 nano-giây và khảng cách về thời gian giữa 2 xung là 500 nano-giây (lần trước mỗi xung kéo dài 10 micro-giây). Ngoài ra, họ còn áp dụng phương pháp phân tích các số liệu khác tin cậy hơn so với phương pháp dùng trước đây.

Điều đáng chú ý là những số liệu mà các nhà khoa học thuộc OPERA công bố không phải là những dẫn chứng đầu tiên cho thấy các hạt cơ bản đôi khi vượt tốc độ ánh sáng trong chân không. Chính trong chương trình thí nghiệm mang tên MINOS năm 2007 người ta đã từng quan sát thấy hiện tượng này, nhưng kết quả ghi nhận các trường hợp xảy ra là quá ít, không đủ tầm quan trọng về mặt thống kê, nên không được quan tâm. Ngoài ra, trước đó nữa, năm 1987, người ta cũng thấy một điều tương tự xảy ra trong vụ nổ siêu tân tinh SN 1987A. Khoảng 3 giờ sau ánh sáng mới truyền tới Trái đất và ba đài quan sát neutrino đã ghi lại được sự nhanh vượt trội của chúng so với những dòng proton bình thường. Mặc dù vậy, điều này chưa nói lên được gì, nhưng không loại trừ là, neutrino và photon từ siêu tân tinh này được phát ra từ những thời điểm khác nhau.

Cho tới nay phủ nhận thuyết tương đối đặc biệt là quá sớm. Cần những sự thẩm định thận trọng hơn nữa mới buộc các nhà vật lý viết lại sách giáo khoa. Và cũng rất có thể chính các thí nghiệm này lại một lần nữa khẳng định sự đúng đắn của nhà vật lý kiệt xuất thế kỷ trước.

Tuấn Hà