Mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt là một kiệt tác khoa học, nhưng đến nay vẫn còn nhiều điều chưa hoàn thiện. Một trong những câu hỏi lớn mà chúng ta vẫn chưa có lời đáp là tại sao lại tồn tại vật chất (hay còn gọi là sự bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất). Bên cạnh đó, chúng ta còn phải đối diện với bí ẩn về vật chất tối và năng lượng tối. Một điều thú vị khác cũng đang khiến các nhà khoa học đau đầu là liệu có tồn tại một lực cơ bản thứ năm hay không. Có lẽ bạn đã quen với bốn lực cơ bản: lực mạnh, lực yếu, trọng lực và điện từ, nhưng một số nhà vật lý đang đặt ra nghi vấn về sự tồn tại của một lực thứ năm có thể kết nối giữa neutron và electron trong vũ trụ của chúng ta.
Mới đây, một hợp tác quốc tế giữa các nhà khoa học đến từ Đức, Thụy Sĩ và Úc đã tìm ra giới hạn tối đa cho một loại hạt có khả năng mang theo lực này bằng cách quan sát tần số chuyển tiếp của năm đồng vị canxi. Các số liệu này ước tính vào khoảng 10 đến 10 triệu electronvolt (đúng vậy, electronvolt đôi khi được sử dụng làm đơn vị đo khối lượng – nhờ vào phương trình nổi tiếng E=mc²). Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters. Để đạt được con số này, các nhà nghiên cứu đã quan sát sự chuyển tiếp nguyên tử của các đồng vị canxi-40, canxi-42, canxi-44, canxi-46 và canxi-48. Sự chuyển tiếp nguyên tử xảy ra khi một electron – bị thu hút bởi các hạt mang điện tích dương trong hạt nhân – tạm thời nhảy lên mức năng lượng cao hơn. Các sự chuyển tiếp này có thể thay đổi tùy thuộc vào đồng vị và chịu ảnh hưởng bởi số lượng neutron có trong một nguyên tử.
Sau khi hoàn thành các quan sát, nhóm nghiên cứu đã lập bảng các biến thể mà họ ghi nhận được trên một biểu đồ gọi là biểu đồ King. Theo Mô hình tiêu chuẩn, điều này lẽ ra phải tạo ra một biểu đồ tuyến tính. Tuy nhiên, những gì mà nghiên cứu này tìm thấy lại không phải như vậy. Nhờ vào độ nhạy cao của thí nghiệm, biểu đồ cuối cùng lại có tính phi tuyến, điều này gợi ý rằng những sai lệch mà nhóm nghiên cứu phát hiện có thể là bằng chứng cho sự tồn tại của một lực thứ năm. Tuy nhiên, như các tác giả cũng lưu ý, điều này cũng có thể giải thích được trong khuôn khổ của Mô hình tiêu chuẩn.
Dù nguyên nhân gây ra những sai lệch này là gì, nhưng điều đó vẫn không làm giảm khả năng của các nhà khoa học trong việc xác định giới hạn tối đa cho khối lượng của boson mang lực thứ năm. Cuộc tìm kiếm lực thứ năm này là một hành trình dài và đó là một nỗ lực khoa học có phạm vi khá rộng. Vào những năm 1980, các nhà khoa học tại MIT đã từng nghĩ rằng lực phản trọng lực có thể là lực thứ năm. Một ý tưởng khác mang tên "quintessence" cũng trở nên phổ biến vào đầu thế kỷ. Gần đây, Fermilab ở Chicago tưởng chừng như đã gần tới việc phát hiện lực thứ năm, mặc dù kết quả cuối cùng của thí nghiệm “muon g-2” chủ yếu xác nhận Mô hình tiêu chuẩn.
Ngoài ra, các nỗ lực khác đã nhìn vào các cơ thể lớn hơn chứ không chỉ là các nguyên tử để tìm kiếm bằng chứng về lực thứ năm. Phòng thí nghiệm Los Alamos đã công bố một nghiên cứu vào năm ngoái, cho rằng bằng cách phân tích kỹ lưỡng các quỹ đạo của các tiểu hành tinh và tìm ra mọi sai lệch trong những quỹ đạo đó, chúng ta có thể khám phá ra điều gì đó về các lực hạt mà chúng ta chưa hiểu. Mục tiêu cuối cùng của nhóm nghiên cứu đó, cũng giống như nhóm đứng sau bài nghiên cứu này, là hiểu rõ những ràng buộc về nơi lực thứ năm có thể tồn tại. Hiện tại, cuộc tìm kiếm vẫn tiếp tục, nhưng các nhà khoa học đang tiến gần hơn đến những câu trả lời có khả năng thay đổi cách chúng ta hiểu về vật lý.
Mới đây, một hợp tác quốc tế giữa các nhà khoa học đến từ Đức, Thụy Sĩ và Úc đã tìm ra giới hạn tối đa cho một loại hạt có khả năng mang theo lực này bằng cách quan sát tần số chuyển tiếp của năm đồng vị canxi. Các số liệu này ước tính vào khoảng 10 đến 10 triệu electronvolt (đúng vậy, electronvolt đôi khi được sử dụng làm đơn vị đo khối lượng – nhờ vào phương trình nổi tiếng E=mc²). Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters. Để đạt được con số này, các nhà nghiên cứu đã quan sát sự chuyển tiếp nguyên tử của các đồng vị canxi-40, canxi-42, canxi-44, canxi-46 và canxi-48. Sự chuyển tiếp nguyên tử xảy ra khi một electron – bị thu hút bởi các hạt mang điện tích dương trong hạt nhân – tạm thời nhảy lên mức năng lượng cao hơn. Các sự chuyển tiếp này có thể thay đổi tùy thuộc vào đồng vị và chịu ảnh hưởng bởi số lượng neutron có trong một nguyên tử.
Sau khi hoàn thành các quan sát, nhóm nghiên cứu đã lập bảng các biến thể mà họ ghi nhận được trên một biểu đồ gọi là biểu đồ King. Theo Mô hình tiêu chuẩn, điều này lẽ ra phải tạo ra một biểu đồ tuyến tính. Tuy nhiên, những gì mà nghiên cứu này tìm thấy lại không phải như vậy. Nhờ vào độ nhạy cao của thí nghiệm, biểu đồ cuối cùng lại có tính phi tuyến, điều này gợi ý rằng những sai lệch mà nhóm nghiên cứu phát hiện có thể là bằng chứng cho sự tồn tại của một lực thứ năm. Tuy nhiên, như các tác giả cũng lưu ý, điều này cũng có thể giải thích được trong khuôn khổ của Mô hình tiêu chuẩn.
Dù nguyên nhân gây ra những sai lệch này là gì, nhưng điều đó vẫn không làm giảm khả năng của các nhà khoa học trong việc xác định giới hạn tối đa cho khối lượng của boson mang lực thứ năm. Cuộc tìm kiếm lực thứ năm này là một hành trình dài và đó là một nỗ lực khoa học có phạm vi khá rộng. Vào những năm 1980, các nhà khoa học tại MIT đã từng nghĩ rằng lực phản trọng lực có thể là lực thứ năm. Một ý tưởng khác mang tên "quintessence" cũng trở nên phổ biến vào đầu thế kỷ. Gần đây, Fermilab ở Chicago tưởng chừng như đã gần tới việc phát hiện lực thứ năm, mặc dù kết quả cuối cùng của thí nghiệm “muon g-2” chủ yếu xác nhận Mô hình tiêu chuẩn.
Ngoài ra, các nỗ lực khác đã nhìn vào các cơ thể lớn hơn chứ không chỉ là các nguyên tử để tìm kiếm bằng chứng về lực thứ năm. Phòng thí nghiệm Los Alamos đã công bố một nghiên cứu vào năm ngoái, cho rằng bằng cách phân tích kỹ lưỡng các quỹ đạo của các tiểu hành tinh và tìm ra mọi sai lệch trong những quỹ đạo đó, chúng ta có thể khám phá ra điều gì đó về các lực hạt mà chúng ta chưa hiểu. Mục tiêu cuối cùng của nhóm nghiên cứu đó, cũng giống như nhóm đứng sau bài nghiên cứu này, là hiểu rõ những ràng buộc về nơi lực thứ năm có thể tồn tại. Hiện tại, cuộc tìm kiếm vẫn tiếp tục, nhưng các nhà khoa học đang tiến gần hơn đến những câu trả lời có khả năng thay đổi cách chúng ta hiểu về vật lý.
