Các nhà khoa học phát triển hệ chân không in 3D để bẫy vật chất tối

Sử dụng một hệ chân không được thiết kế một cách đặc biệt để in 3D, các nhà khoa học đã phát triển một cách ‘bẫy’ vật chất tối với mục tiêu dò được các tường miền. Đây là một bước quan trọng hướng về phía khám phá một trong những bí ẩn bậc nhất của vũ trụ.

Nguồn: ĐH Nottingham

Các nhà khoa học ở trường Vật lý ĐH Nottingham đã tạo ra một hệ chân không in 3D mà họ sẽ sử dụng trong một thực nghiệm mới để giảm thiểu mật độ khí, và sau đó bổ sung các nguyên tử lithium siêu lạnh để dò các tường tối. Nghiên cứu này đã được xuất bản trên tạp chí Physical Review D 1.

Giáo sư Clare Burrage của trường vật lý là một trong những tác giả dẫn dắt nghiên cứu này. Ông giải thích “vật chất thông thường tạo nên thế giới này chỉ là một phần bé nhỏ của toàn bộ vũ trụ, chiếm khoảng 5%, phần còn lại là vật chất tối hoặc năng lượng tối – chúng ta có thể thấy hiệu ứng của nó lên cách vũ trụ hành xử nhưng chúng ta không thể biết chúng là gì. Một cách con người đang cố gắng đo đạc vật chất tối là giới thiệu một hạt gọi là trường vô hướng”.

Đây là một cách làm khác với những gì cộng đồng khoa học đã từng áp dụng, ví dụ như sử dụng sao neutron trong phòng thí nghiệm tự nhiên – vũ trụ của chúng ta 2.

Các nhà nghiên cứu dựa trên cấu trúc của các bình 3D về lý thuyết là các trường vô hướng nhẹ, với các thế kép và trực tiếp kết cặp với vật chất, trải qua mật độ do các chuyển pha điều hướng, dẫn đến sự hình thành của các tường miền – một miền được mở rộng trong ba chiều không gian và một chiều thời gian, một tường miền là biên giới giữa hai miền lân cận, do đó một tường miền đươc mở rộng trong hai chiều không gian và một chiều thời gian.

“Khi mật độ thấp hơn, độ hụt hình thành – tương tự khi nước tan ra từ trạng thái đóng băng, các phân tử nước ngẫu nhiên còn khi nó đóng băng, bạn sẽ có một cấu trúc tinh thể với các phân tử được xếp theo một cách ngẫu nhiên, với một số hàng thì theo một kiểu còn một số hàng khác thì theo kiểu khác và điều đó tạo nên những hàng sai lỗi.

“Thi thoảng điều tương tự cũng xảy ra trong trường vô hướng khi mật độ ở mức quá thấp. Bạn không thể thấy những hàng sai lỗi bằng mắt thường nhưng nếu các hạt vượt qua chúng thì có thể làm thay đổi quỹ đạo của mình. Những độ hụt đó là những tường tối và có thể chứng minh được lý thuyết trường vô hướng – liệu các trường này tồn tại hay không”, Burrage cho biết.

Không gian tham số được mô hình hóa khi 𝜆=10−10. Credit: Physical Review D (2024). DOI: 10.1103/PhysRevD.109.123023

Để dò được những độ hụt hay các tường tối đó, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một chân không được thiết kế đặc biệt mà họ sẽ sử dụng trong một thực nghiệm mới, bắt bước dịch chuyển từ một môi trường đậm đặc sang môi trường ít đậm đặc hơn. Sử dụng thiết kế thí nghiệm mới, họ sẽ làm lạnh các nguyên tử lithium với các photon laser đến -273 °C, gần với độ không tuyệt đối. Tại mức nhiệt độ này, chúng có các đặc tính lượng tử, vốn khiến cho việc phân tích thêm chinh xác và có thể dự báo.

Lucia Hackermueller, phó giáo sư trường Vật lý, dẫn dắt thiết kế thực nghiệm. Cô giải thích, “Các bình in 3D chúng tôi sử dụng như buồng chân không đã được cấu trúc bằng các tính toán lý thuyết về tường tối. Điều này tạo ra cái mà chúng tôi tin là một hình dạng, kết cấu và bề mặt lý tưởng để bẫy vật chất tối”.

“Để chứng tỏ một cách thành công là có thể bẫy được các tường tối, chúng tôi sẽ làm lạnh một phân tử và để nó dịch chuyển qua những tường đó. Đám mây này sau đó sẽ phản xạ. Để làm lạnh những nguyên tử đó, chúng tôi bắn các photon laser vào các nguyên tử, làm giảm bớt năng lượng trong nguyên tử – điều này giống như việc làm chậm đi một con voi bằng quả bóng tuyết”.

Nhóm nghiên cứu mất ba năm để tạo ra hệ này và họ chờ đợi sẽ có kết quả trong vòng một năm sau.

“Dù chúng tôi chứng tỏ được các tường tối tồn tại hay không, đó sẽ là một bước quan trọng hướng tới hiểu biết của chúng ta về năng lượng tối và vật chất tối, và một ví dụ tuyệt vời cho việc một thực nghiệm được kiểm soát có thể được thiết kế như thế nào để đo đạc trực tiếp các hiệu ứng liên quan với vũ trụ và những hiện tượng không thể quan sát khác”, Hackermueller cho biết thêm”.

Thanh Hương tổng hợp

Nguồn: https://www.nottingham.ac.uk/news/scientists-develop-3d-printed-vacuum-system-that-aims-to-trap-dark-matter#:~:text=Scientists%20develop%203D%20printed%20vacuum%20system%20that%20aims%20to%20trap%20dark%20matter,-Monday%2C%2017%20June&text=Using%20a%20specially%20designed%203D,the%20mysteries%20of%20the%20universe.

https://phys.org/news/2024-06-scientists-3d-vacuum-aims-dark.html

——————————————-

1.https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.109.123023

2.https://tiasang.com.vn/khoa-hoc-cong-nghe/dung-sao-neutron-de-do-vat-chat-toi-28607/

Tác giả