CERN mới chỉ sản xuất được tổng cộng 10 nanogram phản vật chất duy nhất

Do phản vật chất rất dễ bị triệt tiêu, nhà máy của Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN) mới chỉ sản xuất được tổng cộng 10 nanogram từ năm 1995.

CERN là phòng thí nghiệm vật lý hạt lớn nhất trên Trái Đất. Nhà máy phản vật chất của CERN có vẻ khiêm nhường khi nhìn từ bên ngoài và bạn có thể nghĩ đó không phải nơi tạo ra vật liệu nổ mạnh nhất trong vũ trụ.

Phản vật chất cấu tạo từ các hạt sơ cấp giống vật chất thông thường nhưng với điện tích trái dấu. Khi hai hạt tương tác với nhau, chúng triệt tiêu lẫn nhau, biến đổi thành năng lượng. Chỉ một gram phản vật chất cũng có thể tạo ra vụ nổ tương đương một quả bom nguyên tử. Theo lý thuyết, vụ nổ Big Bang tạo ra vật chất và phản vật chất với lượng tương đương nhau, khiến hai loại triệt tiêu nhau hoàn toàn. Nhưng chúng ta đang sống trong vũ trụ gần như cấu tạo hoàn toàn từ vật chất thông thường.

Ở nhà máy phản vật chất của CERN, các nhà vật lý học tạo ra phản proton và phản hydrogen để nghiên cứu những đặc điểm của chúng, giúp giải đáp những câu hỏi cơ bản về nguồn gốc của vũ trụ.

Ở nhà máy phản vật chất của CERN, các nhà vật lý học tạo ra phản proton và phản hydrogen để nghiên cứu những đặc điểm của chúng, giúp giải đáp những câu hỏi cơ bản về nguồn gốc của vũ trụ.

Máy Proton Synchrotron tiếp tục tăng tốc chùm hạt dọc theo đường vòng dài 628 m, khiến chúng va đập vào khối cấu tạo chủ yếu từ nguyên tố hóa học iridium. Chùm proton tương tác với iridium, sản sinh khoảng 4 hạt phản proton sau va chạm thứ một triệu. Nhưng những hạt phản vật chất này vẫn còn phải trải qua hành trình dài.

Các hạt phản proton mang năng lượng di chuyển hỗn loạn sau đó tiến vào Máy giảm tốc phản proton, sử dụng những nam châm mạnh (màu xanh trong hình) để hạt phản proton bay chậm lại và dẫn chúng đi theo đường vòng của máy.

Tiếp theo, hạt phản proton đi qua những nam châm 4 cực (màu đỏ trong hình) và bị nén lại, trái với khuynh hướng tự đẩy nhau của chúng.

Vòng phản proton năng lượng cực thấp trong ảnh giảm tốc độ của hạt phản proton tới khoảng 1,5% vận tốc ánh sáng, giúp các nhà vật lý giữ lại hạt phản vật chất.

Một trong những công đoạn cuối cùng của sản xuất phản vật chất bao gồm buồng chân không, nếu không bất kỳ phản vật chất nào đều sẽ bị triệt tiêu khi tiếp xúc với vật chất thông thường. Khu vực buồng chân không này bị nung nóng tới khoảng 250 độ C để loại bỏ khí gas và hơi nước, tạo ra môi trường chân không gần như hoàn hảo ở giữa buồng.

Một thiết bị đo áp suất theo dõi điều kiện chân không để ngăn vật chất và phản vật chất tiếp xúc. Nhưng ngay cả khi không có sự tiếp xúc như vật, những thí nghiệm này tạo ra lượng nhỏ đến mức cần 10 nghìn tỷ năm để sản xuất chỉ 25 g phản vật chất, mức cần thiết cho một quả bom phản vật chất, theo lý thuyết.

Ống thu nơ-ron trong ảnh được làm mát tới gần nhiệt độ 0 tuyệt đối, sử dụng chân không và trường điện từ để giữ hạt phản proton và phản electron, những đơn vị cấu tạo hạt phản hydro. Ống thu nơ-ron chứa giấy bạc siêu mỏng, chỉ dày khoảng 1,5 micromet, tiếp tục hãm tốc độ và thu thập hạt phản proton truyền đến từ vòng ELENA. Trước khi lắp đặt ELENA vào năm 2018 để hạt phản proton di chuyển chậm hơn, CERN thu được chưa đến 1% hạt phản proton mà tổ chức này sản xuất. Hiện nay, số lượng thu được là 70%.

Sau khi bị ELENA hạ tốc độ, hạt phản proton chuyển sang thí nghiệm khác trong nhà máy phản vật chất. Ví dụ, thí nghiệm AEgIS sử dụng bẫy sản xuất hạt phản hydro với từ trường mạnh ở mỗi bên để thu phản vật chất. Các nhà vật lý sau đó quan sát tác động của trọng lực với chúng.

Một thí nghiệm khác mang tên ASACUSA kiểm tra giả thuyết hạt phản proton có cùng khối lượng như hạt proton hay không.

Trong khu thí nghiệm ALPHA, nam châm siêu dẫn chứa đầy heli lỏng giúp bẫy phản hạt. Năm 2011, thí nghiệm ALPHA ở CERN lưu trữ thành công 309 nguyên tử phản hydro, một số nguyên tử lưu lại gần 17 phút.

Tuy nhiên, phản vật chất vẫn cực kỳ đắt đỏ và sản xuất kém hiệu quả. Chi phí sản xuất một gram phản vật chất ước tính lên tới 62,5 nghìn tỷ USD. Đó là lý do CERN chỉ sản xuất được số lượng rất hạn chế, tổng cộng chưa tới 10 nanogram từ khi tổ chức này bắt đầu tạo ra phản vật chất vào năm 1995.