Hành tinh quê hương của chúng ta chứa đầy những sự vật có tốc độ cao. Chẳng hạn, một phi thuyền phóng đi, một chiếc xe đua di chuyển vòng quanh một đường đua, một con báo săn đang lao về phía con mồi,... Nhưng vật gì nhanh nhất trên Trái đất? Câu trả lời phụ thuộc vào cách bạn định nghĩa “vật thể” và “trên Trái đất”. Những ứng cử viên hàng đầu chính là neutrino và photon, những hạt không thể nhìn thấy bằng mắt thường.
Câu trả lời có lẽ nhiều người sẽ chắc chắn nhất dường như là ánh sáng. Trong chân không, ánh sáng truyền đi khoảng 300.000 km mỗi giây. Không có gì trong vũ trụ mà chúng ta biết có thể vượt quá tốc độ này.
Tuy nhiên, ánh sáng có thể coi là một vật thể không? Các nhà vật lý không hoàn toàn đồng ý về điều này. Một số người nói không, vì ánh sáng không có khối lượng. Những người khác nói có do ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt. Và hầu hết các nhà vật lý đều đồng ý rằng hạt là một vật.
Theo John Matthews, nhà vật lý tại Đại học Utah, trong không gian với phần lớn là chân không, những hạt photon là những thứ nhanh nhất.
Trên Trái đất thì mọi chuyện phức tạp hơn một chút. Khi một photon chạm vào bầu khí quyển Trái đất, nó sẽ chậm lại một chút. Chính vì vậy, nó có thể không còn là hạt nhanh nhất, do không phải tất cả các hạt đều bị khí quyển làm chậm lại giống như chúng, Matthews nói với Live Science.
Matthews là thành viên của nhóm đã phát hiện một số hạt rất nhanh đến từ các tia vũ trụ năng lượng cực cao, những cơn mưa hạt hạ nguyên tử rơi xuống Trái đất từ không gian. Vào năm 1991, đồng nghiệp của Matthews đã phát hiện những hạt này, được đặt tên là các hạt Oh-My-God (OMG- Ôi Chúa ơi), từ tia vũ trụ có năng lượng cao nhất được biết đến mà vẫn chưa rõ nguồn gốc.
Ban đầu trong chân không của không gian vũ trụ, dù di chuyển rất gần tốc độ ánh sáng, những hạt này vẫn chậm hơn ánh sáng. Nhưng khi chúng va vào bầu khí quyển Trái đất, do có năng lượng cực lớn, chúng vẫn tiếp tục lao về phía trước, còn photon bị chậm lại. Matthews nói: “Vì vậy, trong khí quyển, chúng đang vượt quá tốc độ ánh sáng”.
Điều này làm cho các hạt Oh-My-God trở thành một trong những thứ có khối lượng di chuyển nhanh nhất trên Trái đất, nhưng chúng vẫn không phải kẻ đứng đầu. Neutrino mới chính là kẻ giữ vị trí đó, theo Justin Vandenbroucke, một nhà vật lý hạt tại Đại học Wisconsin-Madison.
Hạt Oh-My-God có lẽ là một proton, hoặc ít nhất là giống proton, một loại hạt khá nặng ở quy mô hạ nguyên tử. Khối lượng của neutrino nhỏ hơn khối lượng của proton ít nhất 10 tỷ lần, vì vậy theo các định luật vật lý cơ bản, nó có thể di chuyển nhanh hơn nếu được cung cấp cùng một lượng năng lượng giống Oh-My-God.
Nhưng về mặt lý thuyết, neutrino có thể di chuyển rất nhanh, nhưng lại khá khó để xác định chúng trong thực tế. Vandenbroucke nói với Live Science: “Neutrino nổi tiếng là nhút nhát”.
Trong một thí nghiệm dài hạn ở Nam Cực có tên là IceCube, các nhà vật lý đã đặt máy dò bên trong một khối băng 1 km khối với hy vọng tìm thấy neutrino năng lượng cao. Bên trong băng đá, một neutrino có đủ năng lượng có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Khi neutrino năng lượng cao này va chạm với hạt nhân của một nguyên tử băng, nó có thể tạo ra các hạt hạ nguyên tử tích điện cũng chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Những hạt tốc độ cao này phát ra một tia sáng gọi là bức xạ Cherenkov, khiến neutrino có thể được phát hiện một cách gián tiếp.
Và vào năm 2016, trong một cuộc đo đạc cẩn thận, các nhà khoa học của IceCube đã phát hiện ra neutrino năng lượng cao nhất từ trước đến nay.
Bill Louis, nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, nói với Live Science: “Theo những gì chúng tôi biết, đây là những hạt nhanh nhất từng được quan sát”. Tuy không có hạt nào có khối lượng có thể đạt tới tốc độ của ánh sáng trong chân không, nhưng nếu nó rất nhẹ và có nhiều năng lượng, nó có thể tiến đến rất gần tốc độ đó.
Gần đến mức nào? Để dễ hiểu, Vandenbroucke giải thích theo số lượng các số 9. Một thứ gì đó chuyển động với tốc độ 99,99% tốc độ ánh sáng sẽ có bốn số 9. Vandenbroucke cho biết vận tốc của neutrino siêu nhanh được phát hiện vào năm 2016 có tới 33 số 9. Và theo tính toán của ông, hạt Oh-My-God, loại hạt có năng lượng lớn hơn, nhưng sẽ có khoảng từ 20 đến 24 số 9.
Để so sánh, tốc độ nhanh nhất mà các hạt đạt được trong các máy gia tốc hạt do con người tạo ra như Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN chỉ có bảy số 9.
Trong khi đó, những hạt siêu nhanh lập kỷ lục này “được tạo ra bởi các máy gia tốc hạt xuất hiện tự nhiên trong vũ trụ ”, Vandenbroucke nói. "Chúng tôi không biết chúng hoạt động như thế nào, nhưng nó thực sự cho bạn biết sự kỳ diệu của thiên nhiên so với con người”.
Theo Livescience
