Phản vật chất, một khái niệm thường thấy trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng như “Thiên thần và Ác quỷ” hay “Star Trek”, không chỉ là sản phẩm của trí tưởng tượng. Thực tế, phản vật chất tồn tại và nắm giữ nhiều bí ẩn đang chờ được khám phá. Vậy, phản vật chất là gì và nó có những đặc điểm gì thú vị? Hãy cùng khám phá 10 điều có thể bạn chưa biết về loại vật chất đặc biệt này.
1. Phản Vật Chất Lẽ Ra Đã Hủy Diệt Toàn Bộ Vật Chất Sau Vụ Nổ Lớn
Theo lý thuyết Vụ Nổ Lớn (Big Bang), vật chất và phản vật chất được tạo ra với số lượng ngang nhau. Khi chúng gặp nhau, sự hủy diệt lẫn nhau sẽ giải phóng năng lượng. Nếu điều này xảy ra hoàn toàn, vũ trụ ngày nay sẽ không có vật chất và do đó, không có sự sống. Tuy nhiên, thực tế là chúng ta đang tồn tại. Các nhà vật lý cho rằng, có một sự bất đối xứng nhỏ, với một hạt vật chất trội hơn trong mỗi tỷ cặp vật chất-phản vật chất. Nguồn gốc của sự bất đối xứng này vẫn là một trong những câu hỏi lớn chưa có lời giải đáp trong vật lý hiện đại.
2. Phản Vật Chất Ở Gần Chúng Ta Hơn Bạn Tưởng
Phản vật chất không chỉ tồn tại trong các phòng thí nghiệm hay các thiên hà xa xôi. Những lượng nhỏ phản vật chất liên tục “mưa” xuống Trái Đất dưới dạng tia vũ trụ, các hạt năng lượng cao từ ngoài không gian. Thậm chí, các nhà khoa học còn tìm thấy bằng chứng về sự hình thành phản vật chất ngay trên các đám mây giông.
Điều đáng ngạc nhiên hơn là, phản vật chất còn tồn tại trong những thứ quen thuộc hàng ngày. Ví dụ, một quả chuối trung bình cứ khoảng 75 phút lại phát ra một positron (phản hạt của electron) do sự phân rã của potassium-40, một đồng vị tự nhiên của kali. Cơ thể con người cũng chứa potassium-40, nghĩa là chúng ta cũng phát ra positron. Tuy nhiên, các hạt phản vật chất này có tuổi thọ cực ngắn do chúng nhanh chóng hủy diệt khi gặp vật chất.
3. Con Người Chỉ Tạo Ra Được Lượng Phản Vật Chất Vô Cùng Nhỏ Bé
Sự hủy diệt vật chất-phản vật chất giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Chỉ một gram phản vật chất có thể tạo ra một vụ nổ tương đương với một quả bom hạt nhân. Tuy nhiên, việc tạo ra phản vật chất là vô cùng khó khăn và tốn kém. Đến nay, con người mới chỉ tạo ra được những lượng phản vật chất cực kỳ nhỏ. Tổng lượng phản proton được tạo ra tại máy gia tốc Tevatron ở Fermilab chỉ khoảng 15 nanogram, trong khi CERN tạo ra khoảng 1 nanogram.
4. “Bẫy” Phản Vật Chất: Công Cụ Nghiên Cứu Đắc Lực
Để nghiên cứu phản vật chất, các nhà khoa học cần ngăn chặn nó tiếp xúc với vật chất và bị hủy diệt. Để làm được điều này, họ sử dụng các “bẫy” đặc biệt. Các hạt phản vật chất mang điện như positron và phản proton có thể được giữ trong bẫy Penning, nơi từ trường và điện trường mạnh mẽ giam giữ chúng, ngăn không cho chúng chạm vào thành bẫy. Đối với các hạt trung hòa như phản hydrogen, các nhà khoa học sử dụng bẫy Ioffe, nơi từ trường mạnh dần về mọi hướng, giữ các hạt ở vùng có từ trường yếu nhất. Thú vị hơn, từ trường Trái đất cũng có thể hoạt động như một loại bẫy phản vật chất, giữ các phản proton trong vành đai bức xạ Van Allen.
5. Phản Vật Chất Có Thể “Rơi Lên”?
Mặc dù vật chất và phản vật chất có cùng khối lượng, nhưng chúng khác nhau về điện tích và các tính chất khác. Theo Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, lực hấp dẫn tác dụng như nhau lên cả vật chất và phản vật chất. Tuy nhiên, điều này chưa được chứng minh bằng thực nghiệm. Các thí nghiệm như AEGIS, ALPHA và GBAR đang nỗ lực xác minh dự đoán này. Việc quan sát tác dụng của lực hấp dẫn lên phản vật chất là một thách thức lớn, đòi hỏi các nhà khoa học phải làm chậm các hạt phản vật chất đến nhiệt độ gần như tuyệt đối và sử dụng các hạt trung hòa để tránh nhiễu loạn từ lực điện.
6. Máy Giảm Tốc Hạt: “Đối Tác” Của Máy Gia Tốc Trong Nghiên Cứu Phản Vật Chất
Bên cạnh máy gia tốc hạt, các nhà khoa học còn sử dụng máy giảm tốc hạt để nghiên cứu phản vật chất. Tại CERN, Máy giảm tốc Phản proton có khả năng bắt giữ và làm chậm các phản proton, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu kỹ lưỡng các tính chất và hành vi của chúng. Trong khi máy gia tốc làm tăng năng lượng của các hạt, máy giảm tốc lại làm chậm chúng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu chi tiết.
7. Neutrino: Phản Hạt Của Chính Mình?
Neutrino là những hạt gần như không có khối lượng và rất ít tương tác với vật chất. Vì chúng không mang điện tích, các nhà khoa học cho rằng chúng có thể là hạt Majorana, một loại hạt giả thuyết là phản hạt của chính nó. Các dự án như Minh chứng Majorana và EXO-200 đang tìm kiếm bằng chứng cho thấy neutrino là hạt Majorana bằng cách tìm kiếm một hiện tượng gọi là phân rã beta kép không neutrino. Nếu neutrino là phản hạt của chính nó, chúng sẽ tự hủy diệt sau phân rã beta kép, và các nhà khoa học sẽ chỉ quan sát thấy các electron. Việc chứng minh được điều này có thể giúp giải thích sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất trong vũ trụ.
8. Ứng Dụng Của Phản Vật Chất Trong Y Học
Phản vật chất không chỉ là đối tượng nghiên cứu trong vật lý. Nó còn có những ứng dụng thực tế trong y học. PET (chụp cắt lớp phát xạ positron) sử dụng positron để tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao của cơ thể. Các đồng vị phóng xạ phát ra positron được gắn vào các hóa chất như glucose, sau đó được tiêm vào máu. Khi các positron gặp electron trong cơ thể và bị hủy diệt, chúng tạo ra tia gamma, được sử dụng để dựng lại hình ảnh. Ngoài ra, các nhà khoa học tại CERN đang nghiên cứu phản vật chất như một phương pháp tiềm năng để điều trị ung thư, bằng cách sử dụng chùm phản proton để chiếu xạ các khối u.
9. Phản Vật Chất “Ẩn Náu” Từ Vụ Nổ Lớn?
Một trong những cách để giải quyết bài toán về sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất là tìm kiếm phản vật chất còn sót lại từ thời Vụ Nổ Lớn. Quang phổ kế Alpha (AMS), một máy dò hạt được lắp đặt trên Trạm Vũ trụ Quốc tế, đang tìm kiếm các hạt này. AMS sử dụng từ trường để phân tách vật chất khỏi phản vật chất và các detector để xác định các hạt khi chúng đi qua. Việc phát hiện ra dù chỉ một hạt nhân phản helium sẽ là bằng chứng mạnh mẽ cho sự tồn tại của một lượng lớn phản vật chất ở đâu đó trong vũ trụ.
10. Nghiên Cứu Chế Tạo Nhiên Liệu Phản Vật Chất Cho Tàu Vũ Trụ
Với khả năng giải phóng năng lượng khổng lồ, phản vật chất là một ứng cử viên sáng giá cho nhiên liệu của các tàu vũ trụ tương lai. Mặc dù công nghệ sản xuất và thu thập đủ phản vật chất cho ứng dụng này vẫn còn là một thách thức lớn, một số nhà nghiên cứu đang tiến hành các nghiên cứu mô phỏng về sức đẩy và lưu trữ phản vật chất. Nếu chúng ta có thể tìm ra phương pháp chế tạo hoặc thu gom những lượng lớn phản vật chất, du hành giữa các vì sao có thể trở thành hiện thực.
Phản vật chất không chỉ là một khái niệm khoa học viễn tưởng. Nó là một phần của thế giới thực, nắm giữ nhiều bí ẩn và tiềm năng ứng dụng to lớn. Từ việc giúp chúng ta hiểu rõ hơn về nguồn gốc của vũ trụ đến việc mở ra những phương pháp điều trị y học mới và những chuyến du hành vũ trụ đầy tham vọng, phản vật chất hứa hẹn sẽ tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu đầy thú vị và hấp dẫn trong tương lai.