Một chiến lược mới dò trực tiếp hạt vật chất tối nhẹ
Trong gần một thế kỷ, các nhà thiên văn học đã nêu giả thuyết rằng vũ trụ của chúng ta chứa nhiều vật chất hơn những gì mắt thường có thể thấy được. Họ tin tưởng có xấp xỉ 80% khối lượng vũ trụ được tạo ra từ một dạng vật chất không phát xạ ánh sáng hoặc năng lượng mà các nhà khoa học vẫn còn chưa đủ khả năng quan sát được một cách trực tiếp, nên gọi đó là vật chất tối.
Trong khi hiện tại có vô số các nghiên cứu và lý thuyết được nêu ra về vật chất tối, vẫn chưa có bằng chứng thực nghiệm trực tiếp nào cho thấy sự tồn tại của chúng. Rất nhiều nhà vật lý đã cố gắng tìm ra nhiều phương pháp để dò vật chất tối trong vũ trụ, tuy nhiên vẫn chưa thành công.
Trong vài thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu dá bắt đầu tự hỏi vật chất tối có thể được dò như thế nào, đặc biệt coi nó chứa những hạt còn nhẹ hơn nhiều so với proton. Một mô hình thu được nhiều chú ý là một trong những mô hình coi vật chất tối như một hạt có điện tích vô cùng nhỏ, nhỏ hơn cả điện từ thường.
Bị mô hình này thu hút, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia Mỹ SLAC tại California mới đây đã tìm ra một chiến lược mới hứa hẹn khả năng dò được hạt vật chất tối nhẹ một cách trực tiếp, những hạt có các tương tác trên diện rộng với vật chất thông thường. Chiến lược này được họ thực hiện và trình bày trong bài báo “Directly Deflecting Particle Dark Matter” xuất bản trên Physical Review Letters, khiến biến dạng dòng chảy cục bộ của vật chất tối với trường thời gian biến đổi và đo đạc những biến dạng đó bằng việc sử dụng các máy dò cộng hưởng được che chắn (shielded resonant detector).
“Cho đến nay, phần lớn các ý tưởng của việc dò các hạt vật chất tối đều phụ thuộc vào nỗ lực dò những tích tụ năng lượng nhỏ từ tán xạ vật chất tối trong một máy dò vô cùng nhạy”, Asher Berlin, một trong số các nhà khoa học tham gia nghiên cứu này, đã nói với Phys.org. “Các cộng sự và tôi gần đây đã nhận ra rằng một cơ chế dò có thể lựa chọn: thay vì chờ vật chất tối tích tụ một mức năng lượng nhỏ trong một máy dò qua tán xạ, có thể điều khiển một cách trực tiếp các quỹ đạo của từng hạt vật chất tối đơn lẻ, tạo ra những nhiễu loạn có thể được đo đạc với những máy dò cộng hưởng hết sức nhạy, tương tự như dò các sóng radio hàng ngày”.
Tương phản với nhiều chiến lược dò vật chất tối được giới thiệu trong nhiều nghiên cứu trước đây, chiến lược mới do Berlin và đồng nghiệp đề xuất đã đưa lợi thế của hiệu ứng “thu thập” mà nhiều hạt vật chất tối đơn lẻ có thể tạo ra, nhiều hơn hiệu ứng được suy ra từ một hạt vật chất tối duy nhất. Và kết quả là phương pháp dò của họ đã thu được lợi ích từ khối lượng nhỏ/mô men của vật chất tối nhẹ, đặc biệt nếu so sánh với các kỹ thuật đã cố gắng đo tán xạ vật chất tối bên trong một máy dò, vốn nhiều thách thức hơn nếu các hạt vật chất tối vô cùng nhẹ.
“Chúng tôi đã nhận diện được một giải pháp tiềm năng đầy hứa hẹn để dò vật chất tối dạng hạt sub-MeV mà không cần phụ thuộc vào sự tích lũy năng lượng từ tán xạ”, Berlin giải thích. “Từ điểm này, bất kỳ ý tưởng mới nào, bao gồm cả ý tưởng của chúng tôi, đều có thể mở ra khả năng hướng đến việc khám phá thành công các hạt vật chất tối”.
Trong bài báo của mình, Berlin và cộng sự đã ứng dụng về mặt lý thuyết kế hoach dò mới của mình để tìm các hạt vật chất tối sub-MeV mang điện tích rất nhỏ hoặc được kết cặp với một hạt trung gian (light vector mediator). Phân tích của họ cho thấy cách tiếp cận của họ có thể chứng minh được các khối lượng vật chất tối trải rộng giữa 10MeV và dưới 1 meV, vì vậy họ có tiềm năng vượt xa hơn những gì mà các lý thuyết và nỗ lực dò trước đây đã đạt được.
Chiến lược được các nhà nghiên cứu đặt ra này được coi là hứa hẹn, dẫu mới chỉ về mặt lý thuyết. Trong những năm tới, dẫu sao, công việc của họ có thể cung cấp thêm thông tin về việc phát triển các công cụ mới để dò các hạt vật chất tôi, vốn về cơ bản giúp xác định sự đúng đắn và những giới hạn có thể trong cách tiếp cận của họ.
“Trong tương lai đó, chúng tôi lên kế hoạch mời nhiều nhà thực nghiệm quan tâm đến việc xây dựng máy dò tham gia”, Berlin nói. “Chúng tôi cũng đang lập kế hoạch nghiên cứu về những ý tưởng dò tìm liên quan với các hạt vật chất tối có thể dò được và chúng có thể có những loại tương tác khác biệt với vật chất thông thường”.
Anh Vũ dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2020-01-strategy-particle-dark.html
