Những hạt như vậy lần đầu tiên được dự đoán bởi nhà vật lý người Anh Paul Dirac khi ông đang cố tìm cách kết hợp hai ý tưởng tuyệt vời về vật lý hiện đại thuở sơ khai: thuyết tương đối và cơ học lượng tử. Trước đây, các nhà khoa học đã gặp phải một vấn đề nan giải là dường như nếu kết hợp 2 học thuyết trên thì có thể dự đoán rằng các hạt có thể có năng lượng thấp hơn so với khi chúng ở trạng thái “nghỉ ” (tức là gần như không làm gì cả). Điều này dường như không thể xảy ra được vào thời điểm đó, vì như thế có nghĩa là có tồn tại các nguồn năng lượng âm.
Tuy nhiên, Dirac lại cho rằng các phương trình đang mách bảo với ông rằng các hạt thực sự đang đầy ắp cả một “biển” những năng lượng âm – điều mà cho đến lúc đó vẫn còn là điều vô hình đối với các nhà vật lý vì họ chỉ đang tìm kiếm “ở trên bề mặt”. Ông đã hình dung rằng tất cả các mức năng lượng tồn tại “bình thường” được giải thích bởi các hạt “bình thường”. Tuy nhiên, khi một hạt nhảy lên khỏi “mức biển”, nó trở thành một hạt bình thường nhưng để lại một “lỗ”, mà có vẻ như đối với chúng ta, chúng giống như một loại hạt tương phản kỳ lạ – hạt phản vật chất.
Bất chấp thái độ hoài nghi ban đầu, những ví dụ về các cặp hạt-phản hạt này đã sớm được tìm thấy. Ví dụ, chúng được tạo ra khi các tia vũ trụ va vào bầu khí quyển của Trái đất. Lại có bằng chứng cho thấy năng lượng trong các trận giông bão sản sinh ra các hạt phản-electron, được gọi là positron. Những hạt này cũng được sinh ra trong một số phân rã phóng xạ, một quá trình được sử dụng trong nhiều bệnh viện ở các máy quét (scanner) Positron Emission Tomography (PET), cho ra hình ảnh chính xác trong cơ thể con người. Ngày nay, những thí nghiệm tại Máy gia tốc hạt Large Hadron Collider (LHC) cũng có thể sản xuất ra vật chất và phản vật chất.
Bí ẩn về Vật chất – Phản vật chất
Vật lý học tiên đoán rằng vật chất và phản vật chất phải được tạo ra với số lượng gần như bằng nhau, đặc biệt là trong quá trình xảy ra vụ nổ Big Bang. Hơn nữa còn có dự đoán rằng các định luật vật lý đối với các hạt cũng áp dụng được trên phản hạt của nó – một mối quan hệ được gọi làsự đối xứng CP (CP symmetry). Tuy nhiên, vũ trụ mà chúng ta thấy dường như không tuân theo những quy tắc này. Nó gần như hoàn toàn được làm bằng vật chất, vậy tất cả các phản vật chất đã đi đâu mất rồi? Cho đến nay điều này vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lý.
khu vực thực nghiệm tại CERN bao gồm cả thử nghiệm alpha. (Mikkel D. Lund, CC BY-SA 4.0)
Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng một số quy trình phân rã phóng xạ không sản sinh ra một lượng bằng nhau các phản hạt và hạt. Nhưng điều đó là không đủ để giải thích sự chênh lệch giữa số lượng vật chất và phản vật chất trong vũ trụ. Do đó, các nhà vật lý như bản thân tôi chẳng hạn đang thực hiện các thí nghiệm tại LHC (Large Hadron Collider), về ATLAS, CMS và LHCb, và những người khác nữa cũng làm các thí nghiệm với neutrino như T2K ở Nhật Bản, đều đang tìm kiếm các quá trình khác mà có thể giải thích câu đố này.
khu vực thực nghiệm tại CERN bao gồm cả thử nghiệm alpha. (Mikkel D. Lund, CC BY-SA 4.0)Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng một số quy trình phân rã phóng xạ không sản sinh ra một lượng bằng nhau các phản hạt và hạt. Nhưng điều đó là không đủ để giải thích sự chênh lệch giữa số lượng vật chất và phản vật chất trong vũ trụ. Do đó, các nhà vật lý như bản thân tôi chẳng hạn đang thực hiện các thí nghiệm tại LHC (Large Hadron Collider), về ATLAS, CMS và LHCb, và những người khác nữa cũng làm các thí nghiệm với neutrino như T2K ở Nhật Bản, đều đang tìm kiếm các quá trình khác mà có thể giải thích câu đố này.
Những hạt như vậy lần đầu tiên được dự đoán bởi nhà vật lý người Anh Paul Dirac khi ông đang cố tìm cách kết hợp hai ý tưởng tuyệt vời về vật lý hiện đại thuở sơ khai: thuyết tương đối và cơ học lượng tử. Trước đây, các nhà khoa học đã gặp phải một vấn đề nan giải là dường như nếu kết hợp 2 học thuyết trên thì có thể dự đoán rằng các hạt có thể có năng lượng thấp hơn so với khi chúng ở trạng thái “nghỉ ” (tức là gần như không làm gì cả). Điều này dường như không thể xảy ra được vào thời điểm đó, vì như thế có nghĩa là có tồn tại các nguồn năng lượng âm.Tuy nhiên, Dirac lại cho rằng các phương trình đang mách bảo với ông rằng các hạt thực sự đang đầy ắp cả một “biển” những năng lượng âm – điều mà cho đến lúc đó vẫn còn là điều vô hình đối với các nhà vật lý vì họ chỉ đang tìm kiếm “ở trên bề mặt”. Ông đã hình dung rằng tất cả các mức năng lượng tồn tại “bình thường” được giải thích bởi các hạt “bình thường”. Tuy nhiên, khi một hạt nhảy lên khỏi “mức biển”, nó trở thành một hạt bình thường nhưng để lại một “lỗ”, mà có vẻ như đối với chúng ta, chúng giống như một loại hạt tương phản kỳ lạ – hạt phản vật chất.Bất chấp thái độ hoài nghi ban đầu, những ví dụ về các cặp hạt-phản hạt này đã sớm được tìm thấy. Ví dụ, chúng được tạo ra khi các tia vũ trụ va vào bầu khí quyển của Trái đất. Lại có bằng chứng cho thấy năng lượng trong các trận giông bão sản sinh ra các hạt phản-electron, được gọi là positron. Những hạt này cũng được sinh ra trong một số phân rã phóng xạ, một quá trình được sử dụng trong nhiều bệnh viện ở các máy quét (scanner) Positron Emission Tomography (PET), cho ra hình ảnh chính xác trong cơ thể con người. Ngày nay, những thí nghiệm tại Máy gia tốc hạt Large Hadron Collider (LHC) cũng có thể sản xuất ra vật chất và phản vật chất.Vật lý học tiên đoán rằng vật chất và phản vật chất phải được tạo ra với số lượng gần như bằng nhau, đặc biệt là trong quá trình xảy ra vụ nổ Big Bang. Hơn nữa còn có dự đoán rằng các định luật vật lý đối với các hạt cũng áp dụng được trên phản hạt của nó – một mối quan hệ được gọi làsự đối xứng CP (CP symmetry). Tuy nhiên, vũ trụ mà chúng ta thấy dường như không tuân theo những quy tắc này. Nó gần như hoàn toàn được làm bằng vật chất, vậy tất cả các phản vật chất đã đi đâu mất rồi? Cho đến nay điều này vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lý.