Thí nghiệm chống thuyết Einstein chờ kiểm chứng độc lập

Neutrino vẫn nhanh hơn ánh sáng / Neutrino bay nhanh hơn ánh sáng vì…đo sai?

Đúng hai tháng trước, ngày Thứ Sáu 23/9/2011 từ Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu CERN (Geneve, Thụy sĩ) phát ra một thông báo thí nghiệm với kết quả “hạt neutrino bay nhanh hơn ánh sáng” đe dọa làm lung lay tận gốc nền tảng của vật lý hiện đại – lý thuyết tương đối Einstein – và gây sững sốt cộng đồng khoa học thế giới.

Trung tâm Nghiên cứu Máy gia tốc Năng lượng cao Nhật bản KEK xây dựng máy gia tốc cho dự án nghiên cứu neutrino T2K..

Thông tin “gây sốc” đó lan tỏa nhanh chóng khắp thế giới với hàng loạt tin bài trên mọi phương tiện truyền thông. Đáng chú ý là thông tin gây sốc đó lôi cuốn nhiều nhà vật lý thực thụ, lý thuyết và thực nghiệm, ở nhiều nước vào cuộc. Theo con số của Paul Rincon trên BBC News, kể từ tháng 9/2011 đã có trên 80 bài báo khoa học xuất hiện trên các trang mạng chính thức bình giải về các kết quả thí nghiệm đo vận tốc neutrino đã công bố. Cho đến hôm nay, đúng hai tháng sau, số bài báo như vậy chắc đã vượt con số 100.

Trong đó, nổi bật lên hai luồng ý kiến ngược nhau: Một là, sự nghi ngờ các số liệu đo vận tốc neutrino của tập thể hàng trăm nhà nghiên cứu trong dự án OPERA. Hai là, sự tin tưởng vào kết quả đo vận tốc neutrino nói trên và hoang mang về nguy cơ “phá sản” của thuyết tương đối Einstein.
Trong trạng thái phân ly của chính giới vật lý như vậy, một thí nghiệm thử lại kết quả thí nghiệm hẳn được mọi người chờ đợi. Nơi sẵn sàng điều kiện lập lại thí nghiệm và có trách nhiệm nhất trước hết phải là tập thể khoa học ở Trung tâm CERN, Thụy sĩ và Dự án OPERA, nước Ý. Vì vậy, cuối tháng 10/2011,CERN vội báo tin rằng một thí nghiệm như thế đang được tiến hành.

Và không phải chờ đợi quá lâu, cũng trong một ngày Thứ Sáu, 18/11/2011, kết quả của thí nghiệm này đã bất ngờ được công bố trên báo mạng tại địa chỉ http://arxiv.org/abs/1109.4897 , đồng thời gửi đến Tạp chí Vật lý Năng lượng cao danh tiếng.

Điểm đặc biệt là số liệu thu được từ hai đợt thí nghiệm khác nhau, công bố cách nhau gần hai tháng, gần như trùng khớp nhau. Nếu thí nghiệm đầu cho thấy, trên quãng đường 730 km tính từ đầu ra máy siêu gia tốc SPS ở CERN, Geneve (Thuy sĩ) đến đầu thu là hệ đêtêctơ OPERA đặt tại Phòng thí nghiệm quốc gia, Gran Sasso (Ý), neutrino đi nhanh hơn ánh sáng 60 phần tỷ giây hay 60 nano giây. Còn bây giờ, trong thí nghiệm thứ hai, độ chênh lệch thời gian này cũng gần xấp xỉ, khoảng 62 nano giây.

Trong đường hầm của Dự án Nghiên cứu neutrino MINOS ở Phòng Thí nghiệm Fermi, Chicago (Mỹ).

Điểm khác nhau giữa hai thí nghiệm là sai số hay độ chính xác của phép đo. Cần lưu ý rằng một trong những lý do làm tăng sai số của kết quả đo vận tốc chuyển động của các chùm hạt neutrino là độ rộng của mỗi xung, hay mỗi nhóm neutrino riêng biệt phát ra từ lối ra của máy gia tốc ở CERN (Geneve). Nói nôm na, điều này cũng tương tự như trong một cuộc chạy đua, còi lệnh phát ra ngắn gọn bao nhiêu thì thời gian chạy của các vận động viên sẽ được xác định chính xác bấy nhiêu.

Trong thí nghiệm đầu tiên, kéo dài những gần 3 năm, mỗi xung neutrino phát ra từ Geneve khá dài, khoảng 10 phần triệu giây, nên việc xác định thời gian các neutrino đến Gran Sasso gặp sai số lớn. Thí nghiệm thứ hai cũng tiến hành trên máy gia tốc proton SPS trong tổ hợp gia tốc hạt lớn LHC ở Geneve nhưng độ kéo dài của mỗi nhóm (xung) neutrino ngắn hơn đến 3000 lần, tức khoảng 3 phần tỷ giây, và khoảng cách giữa các xung là 524 phần tỷ giây. Nhờ đó, việc xác định thời gian các neutrino chạm đến Gran Sasso với độ chính xác cao hơn nhiều.

Ngoài ra, về nguyên tắc, với độ chính xác cao, trong mỗi một thí nghiệm không cần đếm đến hàng chục ngàn neutrino, có thể chỉ cần ghi được khoảng vài chục neutrino. Thực tế, trong thí nghiệm kiểm tra vừa công bố, khoảng 20 sự kiện neutrino được ghi đo ở Gran Sasso.

Dù sao, với việc thu được sự trùng hợp kết quả đo trong hai thí nghiệm của mình, các nhà khoa học ở Geneve và Gran Sasso đã tiến thêm một bước trên con đường chứng tỏ sự đúng đắn của mình về mệnh đề gây sốc: vận tốc chuyển động của hạt neutrino lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường chân không.

Nhưng như vậy vẫn là chưa đủ. Họ chưa có thể làm tan biến các câu hỏi hiểm hóc đặt ra ngay sau khi công bố số liệu của thí nghiệm đầu tiên, đặc biệt những câu hỏi về khả năng đồng bộ đồng hồ ở điểm đầu và điểm cuối của thí nghiệm bằng máy định vị toàn cầu GPS, về sự khác nhau của lực hấp dẫn ở điểm phát và điểm thu neutrino, về ảnh hưởng của chiều quay của quả đất đến kết quả đo, về sự mất năng lượng của neutron trên đường đi v.v…

Hơn nữa, một sự kiện khoa học có tính cách mạng như thế không thể không được kiểm nghiệm bởi những phía khách quan. Vì vậy, nhiều người đang chờ đợi các kết quả thí nghiệm kiểm chứng từ các tập thể nghiên cứu nổi tiếng với cỗ máy gia tốc hạt đủ mạnh … như MINOS ở Phòng Thí nghiệm Fermi, Chicago (Mỹ) và T2K ở Trung tâm Nghiên cứu Máy gia tốc năng lượng cao KEK ở Tsukuba (Nhật Bản). Nói cách khác, để có thể phản bác tiên đề cơ bản của lý thuyết tương đối Einstein, cần phải có những thí nghiệm kiểm chứng độc lập.
Trần Thanh Minh