Liệu các hạt vật chất có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng hay không? Đa số các nhà vật lí sẽ nói “không” thật mạnh giọng, họ viện dẫn thuyết tương đối đặc biệt của Einstein, trong đó cấm sự chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Nhưng nay các nhà vật lí làm việc tại thí nghiệm OPERA ở Italy có lẽ đã tìm thấy bằng chứng trêu ngươi rằng neutrino có thể vượt quá tốc độ ánh sáng.

Đội OPERA đã chiếu các muon neutrino từ Siêu Synchrotron Proton tại CERN ở Geneva đi xuyên khoảng cách 730 km bên dưới dãy Alps đến một máy dò hạt ở Gran Sasso, Italy. Đội đã nghiên cứu hơn 15 000 sự kiện neutrino và nhận thấy chúng cho biết các neutrino truyền đi ở một vận tốc cao hơn tốc độ ánh sáng 20 phần triệu.


Phép đo đơn giản

Nguyên tắc đo thật đơn giản – các nhà vật lí biết quãng đường đã truyền và thời gian truyền, từ đó tính ra vận tốc. Những thông số này được đo bằng GPS, đồng hồ nguyên tử và những thiết bị khác, cho biết khoảng cách giữa nguồn phát và máy thu trong phạm vi sai số 20 cm và thời gian trong phạm vi sai số 10 ns.

Đây không phải là lần đầu tiên một thí nghiệm neutrino thoáng thấy tốc độ siêu sáng. Hồi năm 2007, thí nghiệm MINOS ở Mĩ đã khảo sát 473 neutron truyền từ Fermilab ở gần Chicago đến một máy dò ở nam Minnesota. Các nhà vật lí MINOS đã báo cáo những tốc độ tương tự như OPERA tìm thấy, nhưng sai số thí nghiệm của họ lớn hơn nhiều. Theo các nhà nghiên cứu OPERA, phép đo vận tốc neutrino của họ tốt hơn 10 lần so với những thí nghiệm máy gia tốc neutrino trước đây.

“Hoàn toàn bất ngờ”

“Kết quả này là hoàn toàn bất ngờ”, Antonio Ereditato thuộc trường Đại học Bern và là phát ngôn viên cho thí nghiệm OPERA nhấn mạnh. Trong khi các nhà nghiên cứu tham gia thí nghiệm trên sẽ tiếp tục công việc của họ, trước mắt họ muốn so sánh kết quả của họ với kết quả của những thí nghiệm khác để có cái nhìn trọn vẹn về bản chất của quan sát này.

Mặc dù một sai số đo đạc có thể gây ra kết quả bất ngờ trên, nhưng một số nhà vật lí tin rằng những tốc độ siêu sáng là có thể. Khám phá của nó có thể giúp các nhà vật lí phát triển những lí thuyết mới – như lí thuyết dây – nằm ngoài Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt cơ bản. Tuy nhiên, các phép đo OPERA sẽ phải được lặp lại ở nơi khác trước khi chúng được cộng đồng vật lí chấp nhận.

Jenny Thomas thuộc trường Đại học College London, người làm việc tại MINOS, nói “Tác động của phép đo này, nếu như nó đúng, là rất lớn. Thật vậy, nó sẽ làm xoay chuyển mọi thứ chúng ta nghĩ mình đã hiểu về thuyết tương đối và tốc độ ánh sáng”.

Alexei Smirnov, một nhà vật lí năng lượng cao tại Trung tâm Quốc tế Vật lí Lí thuyết Abdus Salam, Italy, cho biết ông thấy kết quả OPERA là “cực kì bất ngờ”, vì trong khi người ta trông đợi một số sai lệch nhỏ, thì sự sai lệch quan sát thấy là rất lớn – lớn hơn nhiều so với cái được trông đợi từ những lí thuyết kì lạ nhất. “Nếu kết quả này được chứng minh là đúng, thì các hệ quả của khoa học hiện đại chắc chắn sẽ hết sức to lớn”, ông nói. Ông đồng ý với kết luận của nhóm OPEAR rằng nên tiếp tục tìm kiếm những hiệu ứng hệ thống chưa rõ hiện nay và tiếp tục các quan sát. Smirnov là một trong ba nhà nghiên cứu đã khám phá ra hiệu ứng “vật chất-khối lượng” làm thay đổi các dao động neutrino trong vật chất.

Nói về neutrino

Chiều thứ sáu tuần rồi, nhà nghiên cứu OPERA Dario Autiero thuộc Viện Vật lí Hạt nhân Lyon, Pháp, đã trình bày các chi tiết thí nghiệm của họ tại một seminar ở CERN. Autiero đã trình bày những nguyên do có thể có cho kết quả của họ, xét đủ mọi thứ từ những sai sót cố hữu trong khâu chế tạo đồng hồ, đến lực thủy triều và vị trí của Mặt trăng so với CERN và Gran Sasso lúc đọc kết quả.

Họ cũng xét đến khả năng trục trặc bên trong bản thân máy dò hạt. Theo OPERA, khả năng đó giảm đi nhiều nhờ các phương pháp chế tạo độc lập ngoài mà họ sử dụng. Họ cũng trình bày liệu có khả năng tái tạo những kết quả trên ở những năng lượng khác nhau hay không. “Chúng tôi không khẳng định sự phụ thuộc năng lượng hay bác bỏ nó với mức độ chính xác và tin cậy của mình”, Autiero nói. Lưu ý cuối cùng của buổi seminar dường như cho rằng nguyên nhân thật sự là một bí ẩn hiện nay và sự phân tích thêm là cần thiết.

Những ngày vừa qua, các phương tiện thông tin đại chúng đưa tin rầm rộ về những thí nghiệm tiến hành tại phức hợp máy dò hạt Gran Sasso ở Italy; chúng dường như cho thấy các hạt hạ nguyên tử gọi là neutrino truyền từ máy gia tốc hạt khổng lồ tại CERN, ngoại ô Geneva, đến máy dò hạt Italy ở tốc độ hơi cao hơn tốc độ ánh sáng một chút – một kết quả, nếu chính xác, có thể làm lung chuyển một lí thuyết vật lí đã được chấp nhận hơn một thế kỉ qua. Giáo sư vật lí Peter Fisher, trưởng phân viện vật lí hạt và vật lí hạt nhân thực nghiệm thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), đã trả lời một số câu hỏi về những kết quả mới này.


H: Nếu kết quả này được xác nhận, liệu nó có thật sự đào mồ chôn đối với thuyết tương đối của Einstein, như một số báo cáo khẳng định hay không? Và nếu như vậy, liệu có lí thuyết nào được đề xuất để giải thích nó hay không?

TL: Lí thuyết của Einstein xây dựng trên hai tiên đề, một trong hai tiên đề đó là bức xạ điện từ truyền đi ở tốc độ như nhau (tốc độ ánh sáng, 300 000 km/s) cho dù nhà quan sát chuyển động như thế nào. Các hạt ánh sáng – photon – không có khối lượng, vì thế hệ quả là không có hạt nào có khối lượng có thể chuyển động ở một vận tốc lớn hơn ánh sáng. Những neutrino này có khối lượng rất nhỏ, nhưng khác không, và vì thế sẽ không thể truyền đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Đã có những lí thuyết dự đoán những hạt chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng, nhưng, theo tôi được biết, không có lí thuyết nào trong số chúng giải thích được hết những hiện tượng khác mà chúng ta đã đo trên thực nghiệm kể từ thời Einstein.

H: Có loại kiểm tra hay thí nghiệm độc lập nào khác sẽ xác nhận kết quả này để nó được chấp nhận rộng rãi hay không?

TL: Có hai thí nghiệm khác bắn neutrino đi những quãng đường xa có thể cho biết đôi điều về kết quả này. Một thí nghiệm là ở Mĩ, và chùm hạt đi từ Fermilab, gần Chicago, đến một máy dò hạt tên là MINOS ở bắc Minnesota. Thí nghiệm kia thì bắn một chùm neutrino xuyên Nhật Bản đến một thí nghiệm trong một quặng mỏ gọi là Super-Kamiokande. Năng lượng của neutrino trong những thí nghiệm này thấp hơn nhiều so với chùm hạt CERN, nhưng chúng có thể cho biết đôi điều trong thời gian sớm thôi.

H: Nếu hóa ra đây là một loại sai số hệ thống chưa được nhận ra trong các phép đo, thì nó phản ánh các nhà khoa học công bố kết quả đã làm việc không tốt, hay nó chỉ là một sự phản ánh của hiện trạng khoa học hạt cơ bản hiện nay?

TL: Tôi muốn nói nhiều về cái thứ hai. Tôi có biết một số người làm việc tại thí nghiệm OPERA [ở Gran Sasso] và họ là những người rất thận trọng, thấu đáo, họ sẽ không bao giờ công bố một kết quả như thế này trừ khi họ chắc chắn không có sự giải thích nào tốt hơn. Tôi cược rằng cho dù lời giải thích là gì đi nữa, hẳn nó sẽ rất thú vị!