Thả một nguyên tử chỉ sống 2,2 micro giây để kiểm tra thuyết hấp dẫn của Einstein

Một nguyên tử muonium chỉ tồn tại khoảng 2,2 micro giây trước khi thành phần muon phân rã. Khoảng thời gian ngắn đến mức ánh sáng cũng chỉ đi được vài trăm mét, vậy mà các nhà vật lý muốn dùng chính nguyên tử mong manh này để đo tác động của trọng lực Trái Đất. Điều họ kiểm tra không phải là muonium có “rơi” theo cách mắt thường nhìn thấy hay không, mà là lực hấp dẫn có tác động lên hạt thuộc thế hệ vật chất thứ hai giống như lên vật chất quen thuộc hay không. [1]

Thí nghiệm hấp dẫn chưa cho kết quả và không có chuyện thuyết của Einstein đã bị bác bỏ. Bước tiến được công bố năm 2026 là khả năng tạo một chùm muonium có hướng và vận tốc được kiểm soát tốt hơn. Nếu chùm nguyên tử ấy tạo được mẫu giao thoa đủ ổn định, độ dịch rất nhỏ của mẫu dưới tác dụng của trọng lực sẽ trở thành tín hiệu cần đo. [1]

Muonium khác vật chất quen thuộc ở đâu?

Vật chất quanh ta chủ yếu được cấu tạo từ proton, neutron và electron, thuộc thế hệ hạt thứ nhất. Muon là họ hàng nặng hơn của electron nhưng thuộc thế hệ thứ hai. Khi một phản muon mang điện dương kết hợp với một electron mang điện âm, chúng tạo thành muonium. Đây là một nguyên tử ngoại lai, không nên nhầm với nguyên tố hóa học: nó chỉ gồm hai hạt và tồn tại cực ngắn. [1]

Sự phân chia thành nhiều thế hệ là một đặc điểm của Mô hình Chuẩn trong vật lý hạt, nhưng mô hình này chưa giải thích vì sao tự nhiên lại có đúng những thế hệ ấy. Vì vậy, kiểm tra trọng lực với muon mở rộng phép thử sang một loại hạt chưa từng được khảo sát trực tiếp theo cách này. Electron trong muonium vẫn thuộc thế hệ thứ nhất, còn phản muon đem thành phần thế hệ thứ hai vào hệ đo. [1]

Einstein thực sự được kiểm tra điều gì?

Câu hỏi nằm ở nguyên lý tương đương, nền tảng của thuyết hấp dẫn Einstein. Ở cùng một vị trí trong trường hấp dẫn, các vật rơi tự do với cùng gia tốc nếu bỏ qua những lực cản và tác động khác. Nói theo ngôn ngữ vật lý, khối lượng thể hiện sức ì và khối lượng tham gia tương tác hấp dẫn phải tương đương theo cách khiến chuyển động rơi không phụ thuộc vào thành phần của vật. [1]

Nguyên lý này đã được kiểm tra với vật chất thông thường và phản vật chất thế hệ thứ nhất, nhưng chưa trực tiếp với hạt thế hệ thứ hai. Muonium tạo ra một phép thử mới vì nó chứa phản muon. Kết quả phù hợp sẽ mở rộng phạm vi thực nghiệm của nguyên lý tương đương; kết quả khác biệt mới là điều bất ngờ cần được kiểm tra kỹ và giải thích bằng vật lý mới. [1]

Vì sao nguyên tử phải trung hòa điện?

Trọng lực yếu hơn tương tác điện từ rất nhiều. Với một hạt mang điện, điện trường hoặc từ trường sót lại trong thiết bị có thể đẩy lệch hạt mạnh hơn tín hiệu hấp dẫn cần tìm. Khi ấy, một sai lệch cực nhỏ rất dễ bị hiểu nhầm nếu ảnh hưởng điện từ chưa được loại trừ. Muonium có tổng điện tích bằng không vì điện tích của phản muon và electron triệt tiêu nhau, nhờ đó phù hợp hơn cho phép đo. [1]

Có thể hình dung việc đo trọng lực ở đây giống như tìm chuyển động của một hạt bụi do làn khí cực nhẹ trong khi gần đó có quạt. Tắt “chiếc quạt” điện từ không làm tín hiệu hấp dẫn lớn hơn, nhưng giúp nó bớt bị che khuất. Tính trung hòa của muonium phục vụ đúng mục đích đó; nó không khiến nguyên tử bền hơn và cũng không giải quyết trở ngại về thời gian sống. [1]

Làm sao đo kịp trong 2,2 micro giây?

Các phương pháp trước tạo ra muonium bay với nhiều vận tốc và theo nhiều hướng. Một tập hợp phân tán như vậy khó tạo mẫu đo đủ rõ trước khi muon phân rã. Nhóm tại Viện Paul Scherrer đã đưa phản muon vào một lớp heli siêu lỏng được làm lạnh gần độ không tuyệt đối. Trong chất lỏng, phản muon chậm lại, bắt electron và hình thành muonium. [1]

Muonium không được heli siêu lỏng giữ lại như một tạp chất thông thường. Hóa thế dương đẩy nguyên tử mới hình thành ra khỏi chất lỏng; khi nguyên tử đến bề mặt, hóa thế ấy chuyển thành động năng và đưa nó đi lên. Kết quả là các nguyên tử có vận tốc gần nhau và chuyển động gần song song, tức một chùm “lạnh” theo nghĩa phân bố chuyển động được thu hẹp, chứ không đơn thuần là mọi nguyên tử đứng yên vì nhiệt độ thấp. [1]

Quãng đường trong chất lỏng và thời gian thoát ra đều phải đủ ngắn, bởi một sự chậm trễ đáng kể sẽ khiến nhiều muon phân rã trước khi tới bề mặt. Nguồn muon liên tục cường độ cao của cơ sở PSI cũng có vai trò quan trọng: mỗi nguyên tử tồn tại rất ngắn, nên phép đo cần tạo được nhiều muonium có đặc tính tương tự để tích lũy tín hiệu thống kê. [1]

Mẫu giao thoa sẽ tiết lộ điều gì?

Thiết bị đang được xây dựng là một giao thoa kế nguyên tử, khai thác tính chất sóng của muonium để tạo mẫu giao thoa. Trọng lực Trái Đất được dự đoán làm mẫu này dịch đi một lượng cực nhỏ. Thay vì theo dõi đường rơi của từng nguyên tử, các nhà nghiên cứu sẽ đo sự thay đổi có hệ thống của toàn bộ mẫu, qua đó suy ra muonium phản ứng với trọng lực như thế nào. [1]

Theo kế hoạch được nêu khi công bố vào tháng 9/2026, nhóm nghiên cứu dự kiến thử phương pháp với chùm nguyên tử trước, rồi mới tiến tới thí nghiệm hấp dẫn sau đó vài năm nếu các bước chuẩn bị thuận lợi. Vì vậy, thành tựu hiện tại là tạo được chùm phù hợp, chưa phải phép xác nhận hay phủ định nguyên lý tương đương đối với muon. [1]

Nếu muonium hành xử như dự đoán, Einstein vượt qua thêm một phép thử ở miền vật chất mới. Nếu xuất hiện sai khác đáng tin cậy, một khả năng được cân nhắc là tương tác cơ bản thứ năm, bên cạnh hấp dẫn, điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu. Tuy nhiên, mục tiêu trực tiếp vẫn giản dị hơn: lần đầu đo xem khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính có còn tương đương khi một hạt thế hệ thứ hai tham gia hay không. [1]