Các nhà khoa học tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) đã đưa việc sản xuất phản vật chất vào một kỷ nguyên mới: Với việc tạo ra hơn 15.000 nguyên tử phản hydro (antihydrogen) chỉ trong vài giờ không còn là giấc mơ kéo dài hàng thập kỷ nữa mà là một kỳ tích sau một đêm.
Thí nghiệm ALPHA tại phòng giảm tốc phản proton ở CERN. Ảnh: CERN
Trong một bài báo được công bố ngày 18/11/2025, các nhà nghiên cứu từ thí nghiệm ALPHA của CERN đã tiết lộ một kỹ thuật làm mát mới cho phép họ tạo ra hơn 15.000 nguyên tử phản hydro trong thời gian ngắn.
Đó là bước nhảy vọt đáng kể về hiệu suất đối với dạng phản vật chất nguyên tử đơn giản nhất, được tạo thành từ một positron quay quanh một phản proton.
Kỳ tích "như khoa học viễn tưởng"
Jeffrey Hangst, người phát ngôn của thí nghiệm ALPHA, cho biết: "Những con số này (15.000 nguyên tử phản hydro) được coi là khoa học viễn tưởng cách đây 10 năm. Với số lượng lớn các nguyên tử phản hydro hiện có sẵn, chúng ta có thể nghiên cứu phản vật chất nguyên tử chi tiết hơn và nhanh hơn trước đây.”
Phản hydro (antihydrogen) là phản vật chất tương ứng của hydro. Trong khi nguyên tử hydro thông thường được cấu tạo từ một electron và proton, thì nguyên tử phản hydro được cấu tạo từ một positron và một phản proton.
Các nhà khoa học hy vọng rằng việc nghiên cứu phản hydro có thể làm sáng tỏ câu hỏi tại sao vật chất lại nhiều hơn phản vật chất trong vũ trụ quan sát được, được gọi là vấn đề bất đối xứng baryon.
Để tạo ra phản hydro, trước tiên nhóm nghiên cứu phải bẫy và làm lạnh các đám mây positron và phản proton riêng biệt trước khi hợp nhất chúng. Qua nhiều năm, quy trình này đã được cải tiến liên tục. Nhưng bước đột phá mới nhất của CERN, một phương pháp làm mát positron sáng tạo, đã tăng tốc độ sản xuất phản hydro lên gấp 8 lần.
Cốt lõi của bước tiến này nằm ở cách thức chế tạo positron. Các hạt đầu tiên được tạo ra từ một dạng phóng xạ của natri và được giữ lại bên trong bẫy Penning, nơi các trường điện từ giữ chúng cố định.
Bên trong bẫy, chúng tự nhiên xoáy, mất đi một chút năng lượng khi di chuyển. Hiệu ứng tự làm mát này có tác dụng, nhưng không đủ để hình thành phản hydro hiệu quả.
Để khắc phục hạn chế này, nhóm ALPHA đã đưa một đám mây ion berili làm mát bằng laser vào bẫy, cho phép các positron giải phóng năng lượng thông qua một quá trình được gọi là làm mát giao cảm.
Quyết định này đã đưa đám mây positron một nhiệt độ đáng kinh ngạc, khoảng -266°C. Ở mức năng lượng thấp như vậy, các hạt có khả năng liên kết với phản proton để tạo thành phản hydro cao hơn nhiều.
Mô hình đơn giản của một nguyên tử phản hydro ở trạng thái cơ bản.
Kết quả là hơn 15.000 nguyên tử phản hydro đã tích tụ trong vòng chưa đầy 7 giờ. Để so sánh, một thí nghiệm trước đó đã mất 10 tuần để thu thập khoảng 16.000 nguyên tử cho một nghiên cứu quang phổ có độ chính xác cao.
Niels Madsen, phó phát ngôn viên của ALPHA và là người đứng đầu dự án làm mát positron, cho biết: "Kỹ thuật mới này thực sự là một bước đột phá trong việc điều tra những bất định mang tính hệ thống trong các phép đo của chúng tôi. Giờ đây, chúng tôi có thể tích lũy phản hydro qua đêm và đo vạch quang phổ vào ngày hôm sau".
Phản vật chất ở quy mô lớn
Trong các lần chạy thử nghiệm năm 2023–2024, phương pháp này đã cho phép sản xuất hơn hai triệu nguyên tử phản hydro, đạt được con số mà các nhà nghiên cứu từng cho là không thể.
Năm 2025, nhóm hợp tác ALPHA đang sử dụng nguồn cung chưa từng có này để khám phá cách lực hấp dẫn ảnh hưởng đến phản vật chất trong thí nghiệm ALPHA-g, một thử nghiệm quan trọng của vật lý cơ bản.
Khi quá trình làm mát giao cảm tiếp tục mở khóa các tập dữ liệu lớn hơn và các phép đo nhanh hơn, các nhà khoa học kỳ vọng sẽ thăm dò các đặc tính của phản vật chất với độ chính xác chưa từng có. Và điều đó có thể giúp chúng ta hiểu sâu hơn về một số bất đối xứng bí ẩn nhất trong vũ trụ, như bất đối xứng baryon.
Ngoài ra, nghiên cứu về phản hydro, phản vật chất đóng vai trò quan trọng trong phát triển và thử nghiệm công nghệ tiên tiến, năng lượng khổng lồ trong tương lai.
Những phát hiện gây chấn động giới vật lý toàn cầu này đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.