Hạt neutrino có thực sự nhanh hơn ánh sáng?
| 03/02/2012 12:03 AM
Kể từ ngày CERN công bố rằng họ phát hiện ra hạt neutrino có vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng, trên thế giới đã nổi lên rất nhiều tranh cãi về tính xác thực của thí nghiệm này.
Câu chuyện về những hạt neutrino có khả năng di chuyển nhanh hơn ánh sáng là một sự kiện kỳ lạ và làm tốn rất nhiều giấy mực. Những nhà khoa học tại Gran Sasso đã rất lúng túng khi thu được kết quả bất thường này. Họ kiểm tra các dữ liệu thu được rất nhiều lần, tìm kiếm mọi sai sót có thể xảy ra. Tuy nhiên kết quả lần nào cũng vậy, các hạt neutrino tới trước ánh sáng một khoảng 60ns (nano giây). Với bất kỳ nhà khoa học nào, việc phát hiện ra một định luật vật lý mới là lý do đáng để ăn mừng, nhưng đây lại là một định luật hoàn toàn khác.
Các nhà khoa học tại Gran Sasso đang đứng trước rất nhiều sức ép và lời bàn tán từ giới khoa học. Có một điều chúng ta cần phải hiểu là chưa có ai cho rằng dữ liệu của thí nghiệm là sai, chỉ có điều những dữ liệu này đã gặp phải một lỗi hệ thống chưa biết. Một khi chúng ta thu được những dữ liệu đi ngược lại với những định luật vật lý của vũ trụ mà chúng ta biết, điều đó chứng tỏ kiến thức từ trước tới nay của con người về vật lý là hoàn toàn sai. Và trong trường hợp đó, những cuốn sách vật lý sẽ phải viết lại từ đầu.
Nhưng bản chất của vật lý lại không phải như thế. Chúng ta cần đi theo những gì đã được công nhận, và dựa trên những cơ sở này để triển khai những lý thuyết mới. Một ví dụ điển hình là thuyết tương đối, trong đó khẳng định vận tốc của ánh sáng là giới hạn của tự nhiên vốn là lý thuyết dự theo định luật vạn vật hấp dẫn của Newton.
Và các nhà khoa học tự hỏi rằng –“Liệu có một cách lý giải nào đó để lý thuyết chuẩn của chúng ta có thể chấp nhận được kết quả này tại Gran Sasso? Và hệ quả của chúng là như thế nào?” Đây là những câu hỏi hết sức quan trọng, bởi mỗi một sự thay đổi trong hệ thống lý thuyết chuẩn sẽ thay đổi những dự đoán về vật lý, những dự đoán này sẽ được áp dụng lên tất cả cơ sở vật lý hạt, chứ không chỉ nằm gọn trong việc một hạt nào đó có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng.
Hai văn bản đánh giá về những hệ quả của lý thuyết mới này đã được công bố. Trong cả 2 văn bản này, người viết đã giả định trường hợp vận tốc ánh sáng không còn là vận tốc giới hạn của tự nhiên. Cả 2 văn bản này đều có nhắc tới một sự kiện đã xảy ra mà không cho thấy dấu hiệu nào của việc neutrino đi nhanh hơn ánh sáng, đó là thông qua lần theo dõi vụ nổ siêu tân tinh vào năm 1987. Tuy nhiên điều đó cũng có thể được coi là môi trường đó chưa cung cấp đủ năng lượng cho neutrino để đạt tới tốc độ lớn hơn ánh sáng. Và cũng có nghĩa là có một định luật nào đó liên quan tới năng lượng cho phép neutrino đạt được tốc độ tối đa. Nếu những giả định trên là đúng, định luật này chắc chắn đã có ảnh hưởng lên những dữ liệu mà chúng ta thu được.
Năng lượng của những hạt neutrino này là sai
Hai nhà nghiên cứu tại Đại Học Boston chia sẻ quan điểm rằng hãy thử tưởng tượng neutrino đi nhanh hơn ánh sáng thật, nhưng không gian-thời gian vẫn giữ nguyên, cũng như quy luật bảo toàn năng lượng và động lượng. Bằng những giả định này, họ cho rằng có một quy trình nào đó diễn ra trong thời điểm neutrino đi nhanh hơn ánh sáng và khiến cho những hạt này phát ra electron và positron, đồng thời bị thất thoát năng lượng.
Năng lượng của những hạt neutrino được tạo ra tại CERN ở mức 17GeV. Nhưng theo tính toán, bất kỳ một hạt neutrino nào với năng lượng lớn hơn 12,5GeV mà di chuyển nhanh hơn ánh sáng thì sẽ nhanh chóng đi chậm lại và bị mất mát năng lượng bởi sự phát tán của electron và positron. Theo đó, năng lượng của những hạt neutrino khi đi tới OPERA phải hoàn toàn khác so với thời điểm ban đầu. Tuy nhiên thí nghiệm thì hoàn toàn ngược lại.
Nói xa hơn nữa, người ta sẽ đem điều này để áp dụng lên những neutrino được tạo ra khi mà ánh sáng của siêu tân tinh năm 1987 chạm tới khí quyển Trái Đất. Những hạt neutrino này có phổ năng lượng từ 1GeV cho tới 1TeV. Rất nhiều trong số những hạt này sẽ đi qua không chỉ bầu khí quyển mà toàn bộ đường kính của Trái Đất trước khi chúng ta kịp phát hiện ra chúng. Và năng lượng trên của những hạt neutrino này sẽ không đổi cho dù chúng có phát tán electron và positron. Nhưng đó không phải là điều chúng ta quan sát được vào năm 1987.
Từ đây, những người đề xuất văn bản đánh giá trên cho rằng kết quả mà OPERA thu được là một lỗi hệ thống.
Sự phân rã của neutrino và hạt Pi
Ba nhà khoa học đã vận dụng một cách khác để kiểm chứng thí nghiệm này, thông qua những hạt pion (Pi). Đây là những hạt được dùng để tạo ra neutrino tốc độ cao. Cũng như trên, họ giả định rằng động lượng và năng lượng được bảo toàn. Theo đó, họ cũng giả định rằng neutrino cũng có vận tốc lớn hơn ánh sáng, nhưng những hạt pion sẽ khiến những neutrion này phân rã thành neutrino muon, và một neutrino muon hay hạt muon luôn bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng.
Các nhà nghiên cứu đã kiểm chứng việc năng lượng và động lượng của hạt pion được phân chia thế nào giữa hạt muon và hạt neutrino. Các đo đạc và tính toán (dựa theo quy chuẩn vật lý hiện tại) cho kết quả là 0,3 – có nghĩa là neutrino mang theo 0,3 động năng của hạt pion khi nó bị phân rã. Nhưng nếu điều này đúng, các hạt neutrino phải đi chậm hơn nhiều, trong khi thực tế người ta quan sát nó lại đi nhanh hơn ánh sáng. Hiển nhiên là định luật về động lượng của chúng ta và vận tốc của neutrino trong thí nghiệm tại Gran Sasso, một trong hai phải sai.
Có thể các định luật về động lượng mà chúng ta từng biết chưa hẳn đã đúng. Vậy cần bao nhiêu động lượng để neutrino có thể di chuyển nhanh giống như điều mà các nhà khoa học tại Gran Sasso đã quan sát được? Thực ra chỉ cần khoảng 5%, theo đó các nhà khoa học tính toán thời gian mà hạt pion có thể tồn tại trước khi bị phân rã. Kết quả là nó đáng lẽ phải tồn tại lâu hơn tới 6 lần so với những gì diễn ra tại Gran Sasso, vậy chắc hẳn thí nghiệm này có sai sót.
Vậy kết luận là gì?
Chúng ta đang gặp một trường hợp rất thú vị, bởi việc giả định trong cả 2 văn bản kiểm chứng này đều chung một điểm: năng lượng và động lượng được bảo toàn theo như kiến thức mà chúng ta đã biết. Và nếu như kết quả tại Gran Sasso là sự thật, thì có nghĩa là kiến thức của chúng ta đã sai. Định luật bảo toàn năng lượng và động lượng là định luật cơ bản của vật lý. Hay nói cách khác, nếu thí nghiệm tại Gran Sasso đúng thì đó chính là một đòn giáng mạnh vào những thành quả mà nhân loại đã đạt được trong vật lý. Tuy nhiên cũng cần phải nói rằng định luật này đã được chứng minh hoàn toàn đúng trong mọi hoàn cảnh.
Tất nhiên vẫn còn những định luật vật lý mới mà chúng ta còn chưa hiểu hết, điển hình là luật hấp dẫn và vật lý lượng tử có nhiều điểm không tương đồng, đều này chúng ta cũng đã biết. Tuy nhiên nếu như còn có một định luật nào đó cơ bản hơn nữa trong thế giới vật lý, nó cũng phải tương thích hợp lý với các định luật sẵn có, vốn được con người chứng minh là đúng. Còn hiện tại, những gì diễn ra tại Gran Sasso không đưa ra được yếu tố này.
Tham khảo Arstechnica