Khoa học tìm ra manh mối giúp giải đáp một trong những bí ẩn mang tính nền tảng nhất của vũ trụ

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã nỗ lực tìm hiểu vì sao vật chất lại chiếm ưu thế so với phản vật chất trong vũ trụ. Một khái niệm then chốt trong hành trình này là vi phạm CP (CP violation) – hiện tượng mô tả sự khác biệt trong cách hành xử giữa các hạt và phản hạt của chúng.

Vi phạm CP xảy ra khi một hạt và phản hạt tương ứng không thể hiện hành vi giống hệt nhau dưới các phép biến đổi điện tích (C) và đối xứng không gian (P). Trên thực tế, một số quá trình phân rã xảy ra thường xuyên hơn so với “bản sao CP” của chúng, do sự giao thoa giữa các pha của tương tác yếu và tương tác mạnh. Chính sự bất đối xứng này được xem là yếu tố quan trọng giúp lý giải sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ.

Các nghiên cứu trước đây từng phát hiện hiệu ứng vi phạm CP lớn bất ngờ trong quá trình phân rã của meson chứa quark charm. Tuy nhiên, kết quả đối với baryon chứa quark charm vẫn chưa thực sự rõ ràng. Để lấp khoảng trống này, Giáo sư Xiao-Gang He và Tiến sĩ Chia-Wei Liu thuộc Viện Tsung-Dao Lee (TDLI), Đại học Giao thông Thượng Hải, đã tiến hành một phân tích có hệ thống. Bằng cách kết hợp lý thuyết đối xứng hương vị SU(3) với mô hình tái tán xạ trạng thái cuối, nhóm nghiên cứu dự đoán hiệu ứng vi phạm CP trong phân rã baryon charm mạnh hơn đáng kể so với các ước tính trước đây.

Baryon là một loại hạt hạ nguyên tử gồm ba quark liên kết với nhau thông qua lực hạt nhân mạnh, mang số baryon bằng +1, nhờ đó phân biệt với meson. Proton (uud) và neutron (udd) là những baryon nhẹ nhất, cấu thành nên hạt nhân nguyên tử. Ngoài ra còn có các baryon nặng hơn chứa quark lạ, quark charm hoặc quark bottom, và chúng thường phân rã thành các baryon nhẹ hơn.

Nghiên cứu đặc biệt nhấn mạnh vai trò của tái tán xạ trạng thái cuối trong vi phạm CP. Quá trình này cho phép các hạt tiếp tục tương tác với nhau sau phân rã ban đầu, từ đó tạo ra các pha mạnh – điều kiện cần thiết để vi phạm CP xuất hiện. Theo kết quả của nhóm, mức độ bất đối xứng vật chất – phản vật chất trong phân rã baryon charm có thể đạt tới một phần nghìn, cao hơn rất nhiều so với dự đoán lý thuyết trước đây.

Được thành lập vào năm 2017, TDLI tập trung vào nghiên cứu vật lý cơ bản. Giáo sư He, người đứng đầu bộ phận Vật lý hạt và hạt nhân, cho biết: “Nghiên cứu về vi phạm CP trong hạt charm mở ra những hướng đi mới cho thực nghiệm và mang lại cái nhìn sâu sắc hơn về các cơ chế nền tảng tạo nên sự bất đối xứng vật chất – phản vật chất của vũ trụ. Nó cũng tạo ra cơ hội quan trọng để kiểm nghiệm Mô hình Chuẩn và tìm kiếm các dạng vật lý mới.”

Mô hình Chuẩn là lý thuyết mô tả cách các thành phần cơ bản của vật chất tương tác với nhau, dưới sự chi phối của bốn lực cơ bản: hấp dẫn, điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu.

Hiện tại, các dự đoán này vẫn đang chờ được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Những cơ sở như BESIII tại Trung Quốc, LHCb tại CERN và Belle II tại Nhật Bản đã có khả năng nhất định trong việc phát hiện vi phạm CP ở các quá trình phân rã charm. Trong tương lai, cơ sở Super Tau-Charm Facility (STCF) mà Trung Quốc đang lên kế hoạch xây dựng được kỳ vọng sẽ mang lại độ nhạy cao hơn, cho phép đo đạc chính xác hơn nữa.

Nghiên cứu này đánh dấu một bước tiến trong việc giải đáp một trong những câu hỏi nền tảng nhất của vật lý: vì sao vật chất lại tồn tại nhiều hơn phản vật chất. Bằng cách chỉ ra hiệu ứng vi phạm CP lớn hơn trong baryon charm, công trình mở ra những hướng nghiên cứu mới cho thực nghiệm và có thể mang lại manh mối về vật lý vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn.