TiaSang
Thứ hai, Ngày 22 tháng 7 năm 2019
Đổi mới sáng tạo

Theo dấu vết vật chất tối

08/07/2019 07:30 -

Các nhà nghiên cứu tại trường đại học Johannes Gutenberg Mainz (JGU) đã tìm ra một cách dò các hạt axion, nhân tố quan trọng để họ tìm ra sự tôn tại của vật chất tối, thứ vật chất bí ẩn bậc nhất vũ trụ.

TS. Teng Wu là tác giả chính của công bố tìm vật chất tối ở trường đại học Johannes Gutenberg Mainz. Nguồn: ©Arne Wickenbrock, JGU

Vật chất xung quanh chúng ta ngày và đêm dưới tất cả các hình thức của nó – cây cối, nhà cửa, đồ đạc và thậm chí trong cả không khí mà chúng ta thở. Tuy nhiên theo các nhà vật lý, thứ vật chất hữu hình này mới chỉ chiếm xấp xỉ 20% trong tổng số các loại vật chất trong vũ trụ và 80% phần còn lại có thể là vật chất tối. Lý thuyết mà họ nêu được xây dựng trên cơ sở của rất nhiều quan sát vũ trụ, một trong số này là các ngôi sao và thiên hà ngày càng quay nhanh hơn nếu chỉ có vật chất thông thường hiện diện trong vũ trụ. 

Vật chất tối có thể do các axion tạo ra

Theo thời gian, các nhà khoa học đã phát triển nhiều ký thuyết khác nhau để giải thích một cách chính xác thứ vật chất tối huyền bí có thể được làm từ những gì. Có rất nhiều ứng cử viên tiềm năng cho bài toán này, trong đó có các hạt nặng tương tác yếu (WIMPs). Các nhà nghiên cứu đã dành nhiều năm để cố gắng săn tìm bằng chứng với các máy dò hạt nhưng vẫn chưa thành công. Dẫu sao, nhiều năm qua, các nhà khoa học đã đề xuất một phương án – một loại hạt gọi là các hạt axions, vốn nhẹ hơn so với các loại hạt khác một cách đáng kể. Theo lý thuyết họ đưa ra, trường của các hạt này dao động, điều đó có nghĩa là nó biến đổi liên tục. Tần số của dao động này tỷ lệ thuận với khối lượng của các hạt và khi khối lượng ở mức cực thấp, tần số này cũng phải ở mức thấp. Nhưng không ai biết đúng liệu nó tồn tại hay có thực không. Vấn đề là dao động trường phải trải qua một chu kỳ đầy đủ khoảng một năm, bằng một nghìn tỷ lần một giây. 

Dò các axions với hỗ trợ của sự thay đổi của spin hạt nhân

Các nhà nghiên cứu tại trường đại học Johannes Gutenberg Mainz (JGU) đã tìm ra một cách dò các hạt axion với sự hỗ trợ của chương trình Thực nghiệm Tiến động spin Axion vũ trụ (CASPEr). “Chúng tôi đang khai thác tiềm năng của cộng hưởng từ hạt nhân," giáo sư Dmitry Budker của Viện nghiên cứu vật lý tại JGU và Viện nghiên cứu Helmholtz Mainz giải thích. “Điều này nghĩa là có thể nhận biết spin của các hạt nhân trong phân tử hoặc đặc biệt trong trường hợp của chúng tôi, trong các đồng vị carbon C13 và hydrogen”. Giả thuyết cơ bản này là vật chất tối có thể ảnh hưởng đến spin của hạt nhân, do đó cung cấp cho các nhà nghiên cứu cách dò được nó. Từ trường của trái đất có thể ảnh hưởng đến spin này. Để tránh trường hợp này, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng lớp che chắn tinh tế để loại bỏ từ trường của trái đất; dẫu sao, ngay cả khi có lớp che chắn tốt nhất thì vẫn không phải là hoàn hảo. Các nhà vật lý phải quyết định tỷ lệ của những thay đổi spin quan sát được là do vật chất tối và phần còn lại là do từ trường trái đất. Do đó, nhóm nghiên cứu tại trường đại học Johannes Gutenberg Mainz tự phát triển cấu hình comagnetometer, một loại từ kế siêu nhạy. Nguyên tắc cơ bản của kỹ thuật này dựa trên vấn đề là các phân tử nhìn chung có chứa nhiều loại hạt nhân nguyên tử khác nhau. Vì các hạt nhân khác nhau sẽ tác động đến từ trường và vật chất tối theo những phạm vi khác nhau, nên có thể phân biệt những ảnh hưởng này. 

Mới nghiên cứu một phần biên độ tần số

Nhóm nghiên cứu tại Mainz đã tìm hiểu biên độ của các tần số từ một vài dao động mỗi năm tới 18 dao động mỗi giờ, tuy nhiên không tìm thấy bằng chứng về ảnh hưởng của vật chất tối. “Nó giống như đi tìm một cái nhẫn bị rơi trong một khu vườn rộng”, Budker so sánh. “Chúng tôi mới ‘đào xới’ một phần của khu vườn này. Điều đó cho phép chúng tôi xem xét một cách tỉ mỉ phạm vi mà trong đó, chúng tôi hi vọng sẽ tìm ra hạt axion, và chúng tôi có thể tập trung nghiên cứu của mình vào những phạm vi khác”. 

Thanh phương dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-07-tracking-dark.html