Quan sát đầu tiên về phân rã hạt siêu hiếm có thể mở ra thứ vật lý mới

Các nhà khoa học tại CERN đã khám phá ra một quá trình phân rã hạt siêu hiếm, mở ra một con đường mới để tìm thứ vật lý nằm ngoài hiểu biết của chúng ta về cách các khối cơ bản của vật chất tương tác.

Nhóm hợp tác NA62 đã trình bày quan sát thực nghiệm đầu tiên của mình tại một seminar CERN EP 1. Đó là một quá trình phân ra siêu hiếm của một hạt kaon có tích điện thành một hạt pion tích điện và một cặp neutrino-phản neutrino (K+ → π+νṽ).

Quá trình này vô cùng hiếm khi xảy ra – Mô hình chuẩn của vật lý hạt, cơ chế giải thích cách các hạt tương tác với nhau, đã dự đoán là ít nhất một phần 10 tỉ hạt kaon sẽ phân rã theo cách này. Thực nghiệm NA62 đã được thiết kế và cấu trúc một cách đặc biệt để đo đạc phân rã của kaon.

Cristina Lazzeroni, giáo sư vật lý hạt tại trường đại học Birmingham, nói, “Với đo đạc này, K+ → π+νṽ trở thành phân rã hiếm nhất được thiết lập ở thang khám phá – 5 sigma. Phân tích phức tạp này là kết quả làm việc của một nhóm nghiên cứu tuyệt vời và tôi vô cùng tự hào về kết quả mới đó”.

Các hạt kaon được tạo ra từ một chùm tia proton có cường độ cực cao trên máy gia tốc Super Proton Synchrotron (SPS) ở CERN, va chạm với một bia tĩnh. Điều này tạo ra một chùm hạt thứ cấp với khoảng một tỉ hạt mỗi giây bay vào máy dò NA62, trong đó có khoảng 6% các hạt kaon được tích điện. Máy dò nhận diện và đo đạc một cách chính xác từng hạt kaon và các sản phẩm phân rã của chúng, ngoại trừ các hạt neutrino với mức năng lượng bị mất của chúng.

Giáo sư Giuseppe Ruggiero, từ trường đại học Florence, cho biết thêm, “Đây là sự thăng hoa của một dự án kéo dài, khởi động từ cách đây một thập kỷ. Việc tìm kiếm những hiệu ứng trong tự nhiên có xác suất xảy ra ở mức 10-11 là một sự hấp dẫn và thách thức lớn lao. Sau một chuỗi công việc đòi hỏi nhiều công sức không ngơi nghỉ và đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe, chúng tôi giờ đã nhận được phần thưởng cho nỗ lực của mình và có được kết quả mà mình chờ đợi đã lâu”.

Những kết quả mới được là dựa vào sự kết hợp của dữ liệu từ thực nghiệm NA62 từ năm 2021 đến năm 2022 và một kết quả từng được xuất bản dựa trên bộ dữ liệu thu thập năm 2016–2018. Bộ dữ liệu năm 2021–2022 được thu thập sau một quá trình nâng cấp đồng bộ cho thực nghiệm NA62, cho phép nó được vận hành ở mức cường độ chùm tia cao hơn 30% với những máy dò mới và được cải tiến.

Sự nâng cấp phần cứng kết hợp với các lỹ thuật phân tích được tinh chỉnh cho phép bộ sưu tập các tín hiệu tiềm năng có tỉ lệ cao hơn 50% trước đây trong khi các công cụ mới cũng được đưa vào để khử nhiễu nền.

Một nhóm các nhà khoa học từ trường đại học Birmingham, hiện do giáo sư Evgueni Goudzovski dẫn dắt, đã tham gia thực nghiệm NA62 tại pha thiết kế vào năm 2007 – đóng vai trò trung tâm ở nhóm hợp tác này. Ông bình luận “thu hút các nhà nghiên cứu tài năng hàng đầu và đề xuất vào các vị trí quan trong với các nhà nghiên cứu ở giai đoạn đầu sự nghiệp luôn luôn là ưu tiên của nhóm. Chúng tôi tự hào là cả việc điều phối vật lý NA62 và điều phối hiện nay của đo đạc K+ → π+νṽ đều là cựu nghiên cứu sinh của Birmingham. Thật vinh dự khi làm việc và dẫn dắt một nhóm nghiên cứu đầy năng lượng như vậy”.

Nhóm nghiên cứu đang nghiên cứu về phân rã K+ → π+νṽ bởi vì nó rất nhạy với thứ vật lý nằm ngoài miêu tả của Mô hình chuẩn. Điều này khiến cho phân rã trở thành một trong những quá trình thú vị bậc nhất để tìm kiếm bằng chứng về thứ vật lý mới.

Sự kiện hạt kaon phân rã thành một hạt pion và hai neutrino được đo lường ở mức 13 trên 100 tỉ. Mô hình chuẩn cũng dự đoán phân rã này nhưng ở tỉ lệ cao hơn 50%.

Việc xảy ra hiện tượng này có thể là do một số hạt mới xuất hiện từ quá trình phân rã nhưng cần nhiều dữ liệu hơn để xác nhận ý tưởng. Thực nghiệm NA62 hiện đang thu thập dữ liệu và các nhà khoa học hy vọng xác nhận hoặc bác bỏ sự hiện diện của thứ vật lý mới trong phân rã này trong vài năm tới.

Nguồn: tiasang.com.vn