Vũ trụ khởi nguyên với số lượng vật chất và phản vật chất cân bằng, nhưng sự chênh lệch nhỏ giữa chúng ngay sau Vụ Nổ Lớn đã tạo ra ưu thế cho vật chất. Hiện tượng phá vỡ đối xứng C và CP đang được nghiên cứu nhằm giải thích lý do vì sao vật chất tồn tại.
Điểm nổi bật:
- Vũ trụ tồn tại nhờ sự chênh lệch nhỏ giữa lượng vật chất và phản vật chất ngay sau Vụ Nổ Lớn.
- Khi vật chất và phản vật chất gặp nhau, chúng hủy diệt lẫn nhau thành tia gamma, chỉ để lại phần dư.
- Paul Dirac dự đoán lượng vật chất và phản vật chất ban đầu cân bằng, nhưng bất đối xứng đã khiến vật chất chiếm ưu thế.
- Hiện tượng phá vỡ đối xứng C và CP được coi là nguyên nhân dẫn đến ưu thế của vật chất.
- Các máy va chạm hạt và quan sát thiên văn được sử dụng để nghiên cứu bất đối xứng vật chất-phản vật chất.
Có lý do khoa học nào giải thích tại sao vũ trụ tồn tại?
Image credit: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images
Câu trả lời liên quan đến các cặp đối lập. Các nhà khoa học nhận thấy rằng vũ trụ tồn tại vì nó bắt đầu với một sự mất cân bằng nhỏ giữa vật chất và phản vật chất. Các hạt của vật chất — tức là tất cả electron, proton và neutron trong nguyên tử và phân tử của vật chất thông thường — khác với các hạt phản vật chất, mang điện tích trái dấu nhưng tương tự về nhiều mặt.
Vật chất và phản vật chất không hòa hợp với nhau. Khi chúng va chạm, chúng hủy diệt lẫn nhau thành tia gamma dữ dội. May mắn là hiện nay phản vật chất rất hiếm. Mặc dù phản vật chất đóng vai trò nền tảng trong sự hình thành vũ trụ, thực tế rằng nó gần như không tồn tại còn lại là một trong những bí ẩn lớn của vũ trụ học.
Antimatter was predicted by English physicist Paul Dirac almost 100 years ago as part of his pioneering work on quantum mechanics, and it has been confirmed experimentally since the 1930s. Nowadays, scientists can create antimatter in particle colliders like the Large Hadron Collider.
"Chúng tôi cho rằng vũ trụ bắt đầu với tỉ lệ vật chất-phản vật chất 50-50 trong Vụ Nổ Lớn nhưng rất nhanh sau đó trở nên thống trị bởi vật chất," Tara Shears, nhà vật lý hạt tại Đại học Liverpool, cho biết. "Để điều này xảy ra, cần có sự khác biệt rất nhỏ, hay bất đối xứng, giữa hành vi của vật chất và phản vật chất để một bên cuối cùng chiếm ưu thế."
Image credit: NASA
Di sản của Vụ Nổ Lớn
Sử dụng dữ liệu từ máy va chạm hạt, dấu vết phân rã của phản vật chất trong phổ thiên văn và sóng hấp dẫn, các nhà vật lý đang cố gắng hiểu rõ lý do tại sao tồn tại sự chênh lệch lớn này trong vũ trụ.
Raymond Volkas, nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Melbourne, cho biết Andrei Sakharov năm 1967 đã đề xuất rằng vật chất và phản vật chất không hoàn toàn đối xứng mà phản ứng khác nhau với một số lực cơ bản trong điều kiện nhất định — hiện tượng này gọi là “phá vỡ đối xứng C và CP”.
"Các nguyên tắc tổng quát của phá vỡ đối xứng C và CP đã rõ, nhưng chi tiết thì chưa," Volkas nói. "Vấn đề là phân biệt các khả năng đó thông qua thử nghiệm."
