Sự tồn tại của đơn cực từ

Những ai quan tâm đến lĩnh vực vật lý có lẽ đã quá quen thuộc với khái niệm “đơn cực điện” hay thường được biết đến phổ biến hơn với tên gọi “điện tích”. Các đơn cực điện tồn tại ở dạng hạt mang điện tích dương hoặc âm như proton (điện tích dương) hoặc electron (điện tích âm). Các điện tích cùng dấu đẩy nhau, điện tích trái dấu hút nhau thông qua sự tương tác của điện trường và có hướng từ dương sang âm.

Thoạt nhiên, tính chất từ có vẻ mang những đặc trưng như một phiên bản của tính chất điện vì một từ trường tồn tại cũng có hướng và được xác định theo chiều Bắc - Nam. Tuy nhiên, điều tương tự dường như vẫn còn là ẩn số khi cố gắng tìm kiếm một phiên bản từ tính của điện tích. Hay nói cách khác, trong khi chúng ta có thể tìm thấy các đơn cực điện ở dạng hạt tích điện nhưng chúng ta lại chưa bao giờ quan sát thấy các đơn cực từ trong tự nhiên.

Các cực từ thường đi theo cặp, chúng có cả cực Bắc và cực Nam giống như khi chia một thanh nam châm thành hai phần, sẽ không có bất kỳ phần cực Bắc và phần cực Nam riêng biệt. Thay vào đó, chúng ta sẽ nhận được hai nam châm mới, nhỏ hơn và mỗi nam châm đều có cực Bắc và cực Nam. Ngay cả khi thanh nam châm đó được chia thành các hạt riêng lẻ thì vẫn chỉ thu được lưỡng cực từ. Trong khi điều mà khoa học đang tìm kiếm là đơn cực từ - một hạt từ tính chỉ sở hữu một cực duy nhất, chỉ có độc lập cực Bắc không có cực Nam hoặc ngược lại.

Tiến tới giới hạn mới

Các nhà khoa học đã tiến gần đến việc quan sát thấy các đơn cực từ bằng cách tạo ra các cấu trúc giống như đơn cực trong phòng thí nghiệm thông qua việc sử dụng các cách sắp xếp phức tạp của từ trường trong các chất ngưng tụ và siêu lỏng Bose-Einstein [1]. Tuy nhiên, kết quả này mới chỉ cho thấy rằng, đơn cực từ không phải là điều không thể có về mặt vật lý, trong khi những khám phá một đơn cực từ tự nhiên vẫn còn trong các dự đoán.

Kể từ thời Dirac, nhiều lý thuyết đã đưa ra dự đoán về đơn cực từ, bao gồm các lý thuyết mới cố gắng thống nhất tất cả các lực cơ bản của tự nhiên (lý thuyết thống nhất lớn - Grand Unified Theory). Theo đó, các lý thuyết dự đoán đơn cực từ sẽ có khối lượng gấp 10 triệu triệu lần proton. Việc tạo ra những hạt như vậy sẽ cần nhiều năng lượng hơn mức mà các máy gia tốc trên Trái đất có thể đạt tới, nhưng đó là năng lượng chắc chắn đã có vào thời kỳ sơ khai của vũ trụ. Điều này có nghĩa là các đơn cực từ có thể đã hiện diện trong vũ trụ sơ khai nhưng bị loãng đến mật độ cực nhỏ, tới mức không thể nhận thấy trong giai đoạn giãn nở theo cấp số nhân ban đầu, được gọi là lạm phát vũ trụ.

Tuy nhiên, các lý thuyết thống nhất lớn không phải là lý thuyết duy nhất dự đoán được hiện tượng đơn cực từ. Các lý thuyết khác dự đoán đơn cực từ có khối lượng thấp hơn có thể được tạo ra bởi máy gia tốc hạt. Trong một công trình nghiên cứu mới đây được đăng tải vào tháng 8/2023 trên cơ sở lưu trữ dữ liệu điện tử arXiv [5], các nhà khoa học tại kênh thực nghiệm ATLAS của LHC thuộc CERN đã công bố kết quả đặt ra những giới hạn mới liên quan đến hạt giả thuyết này. Đây là những ràng buộc tốt nhất hiện nay, bổ sung thêm manh mối mới cho việc tiếp tục tìm kiếm.

Theo đó, các nhà khoa học tại ATLAS đang tìm kiếm các cặp đơn cực từ dạng điểm có năng lượng khối lên tới khoảng 4,0 TeV. Những cặp đơn cực từ này có thể được tạo ra trong các va chạm giữa các proton có năng lượng 13 TeV thông qua hai cơ chế “Drell-Yan”, trong đó một photon ảo được tạo ra trong các va chạm sẽ tạo ra các đơn cực từ, hoặc hai photon ảo được bức xạ bởi các proton sẽ tương tác với nhau để tạo ra các đơn cực từ.

Phương pháp tiếp cận trong nghiên cứu này dựa trên lý thuyết của Dirac cho biết, độ lớn của điện tích từ nhỏ nhất (gD) tương đương với 68,5 lần đơn vị cơ bản của điện tích - điện tích của electron (e). Do đó, một đơn cực từ có điện tích 1 gD sẽ ion hóa vật chất tương tự như một hạt mang điện tích cao.

Khi một hạt ion hóa vật chất trong kênh thực nghiệm, năng lượng tích tụ tỷ lệ với bình phương điện tích của hạt sẽ được thiết bị đo ghi lại. Do đó, các đơn cực từ hay hạt mang điện tích cao sẽ để lại những vết năng lượng lớn dọc theo quỹ đạo của chúng trong kênh dò ATLAS. Do kênh dò ATLAS được thiết kế để ghi lại các hạt trung tính và điện tích thấp nên việc xác định đặc tính của các vết năng lượng cao này là rất quan trọng để tìm kiếm các đơn cực từ và hạt mang điện tích cao.

Kết quả của nhóm nghiên cứu đã đặt ra một số giới hạn chặt chẽ nhất cho đến nay về tốc độ tạo ra các đơn cực từ, hướng tới tìm kiếm các đơn cực từ có điện tích từ 1 và 2gD và các hạt mang điện tích cao có điện tích 20, 40, 60, 80 và 100e với năng lượng khối từ 0,2 đến 4 TeV. Bên cạnh đó, những kết quả nghiên cứu này cũng là phân tích ATLAS đầu tiên xem xét cơ chế tạo thành phản ứng tổng hợp photon.