Đề xuất một phương pháp mới tìm vật chất tối bằng LIGO

Một nghiên cứu mới được xuất bản trên Physical Review Letters (PRL) đã đề xuất việc sử dụng các máy dò sóng hấp dẫn như LIGO để kiếm tìm vật chất tối trường vô hướng.

Vật chất tối, loại vật chất có hình thức khó nắm bắt, chiếm tới 85% vật chất trong vũ trụ này. Nó không hề hấp thụ, phát xạ hay phản xạ ánh sáng, điều đó khiến cho nó trở nên vô hình với chúng ta.

Chúng ta biết được sự hiện diện của nó là do những ảnh hưởng hấp dẫn lên vật chất thông thường như chuyển động của các cụm thiên hà và sự quay của các thiên hà. Do bản chất khó nắm bắt của nó, rất nhiều nhà khoa học trên thế giới đã tập trung vào nghiên cứu vật chất tối. Tuy nhiên bất chấp các nghiên cứu mở rộng, bản chất của nó vẫn còn là điều bí ẩn.

Nghiên cứu trên PRL, do TS. Alexandre Sébastien Göttel từ trường đại học Cardiff, đi theo con đường tìm kiếm ứng cử viên cho vật chất tối là vật chất tối trường vô hướng ¹. TS. Göttel trao đổi với Phys.org về cuộc tìm kiếm thú vị này.

“Gần đây tôi đã thay đổi hướng nghiên cứu từ vật lý hạt, tập trung vào các hạt neutrino mặt trời sang phân tích dữ liệu sóng hấp dẫn. Cơ hội tìm kiếm vật chất tối với LIGO dường như là một cách lý tưởng để áp dụng chuyên môn của tôi vào các vùng đang được nghiên cứu nhiều về sự giao thoa”, TS. Göttel nói.

Phân tích đầu tiên thuộc dạng này được thực hiện, do các nhà khoa học ở trường đại học Cardiff dẫn dắt, hướng đến những thay đổi tinh tế, khó phát hiện trong các gương của thiết bị do vật chất tối gây ra và có thể chỉ có thể đo được với độ chính xác vượt trội của LIGO trong việc dò những thay đổi nhỏ hơn một đường kính hạt nhân nguyên tử.

“Trong quá khứ, các cuộc tìm kiếm đã tập trung vào những hạt nặng có liên quan nhưng với sự hỗ trợ của các nghiên cứu như nghiên cứu chúng tôi đã thực hiện, chúng đang được chuyển hướng tới những hạt nhẹ hơn, nơi các máy dò sóng hấp dẫn như LIGO, Virgo và KAGRA có năng lực vượt trội”, theo nhận xét của giáo sư Hartmut Grote của Viện nghiên cứu khám phá Hấp dẫn, trường đại học Cardiff.

Các máy dò sóng hấp dẫn

Các máy dò sóng hấp dẫn là những thiết bị có độ nhạy rất cao để có thể dò được những biến dạng vô cùng nhỏ trong không thời gian.

LIGO sử dụng các máy giao thoa laser để dò sóng hấp dẫn, được sắp đặt như hai cánh tay dài 4 kilometer ở cánh phải. Một chùm laser được truyền cho cả hai, dọc theo từng cánh tay.

Sóng hấp dẫn kéo dài và nén không thời gian, do đó chúng tác động theo chiều ngang trong tự nhiên, chúng có thể là nguyên nhân dẫn đến một cánh tay bị kéo dài ra, trong khi làm cánh tay bên kia bị nén lại. Điều này có nghĩa vào thời điểm đó tia laser ở mỗi bên cánh tay sẽ có sự khác biệt.

Hai chùm tia sau đó được gửi trở lại trung tâm có một tấm gương và các mẫu hình giao thoa được đo đạc. Mẫu hình giao thoa bị thay đổi đó chính là bằng chứng LIGO dò được sự hiện diện của một sóng hấp dẫn.

Dùng LIGO dò vật chất tối

Một giả thuyết được hình thành về vật chất tối là vật chất tối trường vô hướng. Đây là những hạt boson vô hướng siêu nhẹ không có spin bên trong hoặc không có tính định hướng. Nói một cách đơn giản là nếu chúng tự quay trong vũ trụ thì các đặc trưng của chúng có thể vẫn còn chưa thay đổi.

Vật chất tối trường vô hướng được đặt giải thuyết là tương tác yếu với vật chất và ánh sáng. Sự tương tác yếu này kết cặp với khối lượng rất nhỏ khiến vật chất tối trường vô hướng có thể thể hiện các cấu trúc dạng sóng, lan truyền và chông lấn để hình thành các mẫu hình sóng.

Điều này cho phép chúng tạo ra những hình dạng bền, như các đám mây vật chất tối có thể chuyển động khắp không gian mà không bị xé lẻ. Đặc tính này của vật chất tối trường vô hướng là chìa khóa để sử dụng các máy dò sóng hấp dẫn, như LIGO, tìm kiếm chúng.

TS. Göttel giải thích, “Một số lý thuyết đề xuất vật chất tối hành xử giống sóng hơn hạt. Các sóng đó có thể là nguyên nhân tạo ra các dao động rất nhỏ ở vật chất thông thườn, có thể dò được bằng các máy dò sóng hấp dẫn”.

Thử nghiệm hiệu ứng khối lượng

Nhóm nghiên cứu sử dụng dữ liệu của đợt vận hành quan sát thứ ba của LIGO và mở rộng cuộc tìm kiếm đến các tần số thấp hơn (10 đến 180 Hertz), cải thiện độ nhạy so với các nghiên cứu trước.

Trong khi các nghiên cứu trước tính đến hiệu ứng vật chất tối trường vô hướng có thể có trên máy tách chùm tia, tương tự như sóng hấp dẫn, các nhà nghiên cứu đã tích hợp vào hiệu ứng trên gương ở các cánh tay giao thoa kế.

“Ở cấp độ nguyên tử, anh có thể hình dung trường vật chất tối như dao động dọc theo trường điện từ. Các dao động trường vật chất tối thay đổi một cách hiệu quả các hằng số cơ bản như hằng số cấu trúc tinh tế và khối lượng điện tử, những thứ chi phối các tương tác điện từ”, TS. Göttel nói.

Do các dao động vật chất tối ảnh hưởng tới từng nguyên tử trong vũ trụ, việc xem xét hiệu ứng của chúng lên các khối lượng, hay gương, trong các cánh tay giao thoa kế là một điều tối quan trọng mà nhóm nghiên cứu thực hiện.

TS. Göttel giải thích thêm, “tất cả vật chất có thể bị giao động đó ảnh hưởng nhưng dao động của những phần khác của thiết bị dò này có thể không ảnh hưởng hoặc rất nhỏ, lên việc truyền tia laser, vốn là những thứ mà chúng tôi có thể dò được”.

Đặt các giới hạn trên

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một mô hình lý thuyết để hiểu vật chất tối trường vô hướng có thể tương tác với các hợp phần của LIGO, máy tách chùm chia và kiểm tra khối lượng.

Để làm điều đó, họ sử dụng phần mềm mô phỏng để hiểu vật chất tối trường vô hướng tác dộngđến kết quả thu được từ LIGO, nếu có nó ở đó. Mô phỏng này đem lại một ý tượng về dạng tín hiệu hoặc sự dị thường để tìm thấy chúng trong dữ liệu LIGO.

Sau đó nhóm nghiên cứu sử dụng dữ liệu LIGO và áp dụng một phương pháp gọi là phân tích phổ logarith để nhận diện các mẫu hình hoặc tín hiệu khớp với hiệu ứng vật chất tối trường vô hướng được dự đoán.

Nhóm nghiên cứu đã không thể tìm thấy bằng chứng thuyết phục về vật chất tối trường vô hướng trong dữ liệu LIGO data. Dẫu vậy thì họ có thể thiết lập các giới hạn trên của cường độ tương tác giữa vật chất tối và các thành phần của LIGO.

Cường độ kết cặp này là giá trị ngưỡng trên với sự hiện diện của vật chất tối vô hướng có thể dò được. Giá trị của cường độ kết cặp này có thể cải thiện được bằng gấp 10.000 so với nghiên cứu trước đây, trong một phạm vi tần số cụ thể.

“Chúng tôi là người đầu tiên tính được hiệu ứng riêng phụ thêm trong kiểm tra khối lượng, vốn có ý nghĩa trong các tần số thấp. Bằng việc kết hợp nó với phương pháp phân tích mới để làm tối đa sức mạnh thống kê trong dữ liệu, chúng tôi đã đạt được những kết quả hứa hẹn này”, TS. Göttel kết luận.

Nghiên cứu đã trình bày các phương pháp để dự đoán tác động của sự thay đổi quang lõi, chứng tỏ những điều chỉnh nhỏ trong độ dày gương cũng có thể đem lại những cải thiện có ý nghĩa. Nhóm nghiên cứu cũng ước tính là các máy dò tương lai sẽ có thể vượt trội ngay cả những phương pháp tìm kiếm gián tiếp và có thể chi phối toàn bộ các hạng mục lý thuyết vật chất tối vô hướng.

“Nghiên cứu của chúng tôi chứng minh là ngoài việc quan sát các lỗ đen và các sao neutron bên ngoài thiên hà của chúng ta, chúng ta có thể sử dụng các thiết bị tương tự cho các thí nghiệm về vật chất tối trong phòng thí nghiệm”, TS. Vivien Raymond, một thành viên của nhóm nghiên cứu, nói.

Vũ Nhàn tổng hợp

Nguồn: https://www.cardiff.ac.uk/news/view/2838947-using-gravitational-wave-detectors-to-help-solve-the-biggest-mystery-in-physics-and-astronomy

https://phys.org/news/2024-09-scientists-method-dark-ligo.html

———————————————–

1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.101001