Một chiều mới để hiểu về vật chất tối

Như cái tên được đề xuất cho nó, vật chất tối – thứ vật chất chiếm tới 85% khối lượng vật chất trong vũ trụ - không phát xạ ánh sáng và vô cùng khó dò. Các đặc tính của nó cũng còn quá khó hiểu.

Hiện tại, một nhà vật lý hạt lý thuyết ở trường đại học California, Riverside, và các đồng nghiệp mới xuất bản một công trình trên Journal of High Energy Physics cho thấy cách các lý thuyết định vị sự tồn tại của một dạng lực mới có thể giúp giải thích các đặc tính của vật chất tối.

“Chúng ta sống trong một đại dương vật chất tối nhưng chúng ta chỉ mới biết chút ít về nó”, Flip Tanedo, một trợ lý giáo sư vật lý và tác giả chính của công trình nói. “Đó là một trong những thứ mà chúng ta còn chưa biết về tự nhiên. Chúng ta biết nó tồn tại nhưng chúng ta không thể biết cách tìm kiếm nó hoặc tại sao nó lại không hiện ra ở nơi chúng ta chờ đợi “.

Các nhà vật lý đã sử dụng kính viễn vọng, các thực nghiệm dưới lòng đất và các vành va chạm để tìm hiểu về vật chất tối trong vòng 30 năm qua, dẫu vẫn chưa có được bằng chứng tích cực nào. Bằng chứng gián tiếp, dẫu sao, thúc đẩy cac nhà vật lý lý thuyết như Tanedo nghĩ một cách sáng tạo hơn về việc vật chất tối có thể là gì.

Nghiên cứu mới đề xuất sự tồn tại của một chiều dư trong không – thời gian để tìm vật chất tối. đây là một phần trong chương trình nghiên cứu đang tiến hành ở trường UC Riverside do Tanedo dẫn dắt. Theo lý thuyết này, một số hạt vật chất tối không hành xử như các hạt. Kết quả, các hạt vô hình này tương tác với các hạt thậm chí còn… vô hình hơn theo một cách mà hạt thứ hai dừng hành xử như các hạt đó.

“Mục tiêu của chương trình nghiên cứu của tôi trong hai năm qua là mở rộng ý tưởng về việc vật chất tối ‘trò chuyện’ với lực tối”, Tanedo nói. “Trong suốt thập kỷ qua, các nhà vật lý đã tập trung vào việc đánh giá là ngoài vật chất tối, những năng lượng tối còn bị dấu kín có thể chi phối các tương tác của vật chất tối. Hiểu biết về nguồn năng lượng này hoàn toàn có thể giúp viết lại những nguyên tắc mới về cách người ta tìm kiếm vật chất tối”.

Nếu hai hạt của vật chất tối bị thu hút hoặc đẩy lẫn nhau, sau đó các lực tối thể hiện quyền lực của mình. Tanedo giải thích, các lực tối được miêu tả sự liên tục của các hạt có thể giải quyết các câu hỏi khó hiểu vẫn được thấy trong các thiên hà nhỏ.

“Chương trình nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi tại UCR là một tổng quát hóa hơn nữa của đề xuất về lực tối này”, ông nói. “Vũ trụ có thể quan sát được của chúng ta có thể  có ba chiều không gian. Chúng tôi đề xuất có thể có một chiều thứ tư mà chỉ các lực tối mới có thể hiểu được. Chiều dư này có thể giải thích tại sao vật chất tối lại bị ẩn lâu như thế dù chúng tôi đã nỗ lực nghiên cứu trong phòng thí nghiệm”.

Tanedo  giải thích rằng dẫu các chiều dư có thể được xem như một ý tưởng lạ nhưng họ có trên thực tế một “trò khéo” toán học để miêu tả “các lý thuyết trường bảo giác” – các lý thuyết ba chiều thông là cơ học lượng tử. Các dạng lý thuyết đó phong phú về mặt toán học nhưng không gồm những hạt thông thường và do vậy không được coi là phù hợp để miêu tả tự nhiên. Sự tương đương về mặt toán học giữa các lý thuyết ba chiều thách thức đó và một lý thuyết chiều dư dễ hiểu hơn được biết như nguyên lý holography.

Flip Tanedo (trái), Sylvain Fichet (giữa) và Hai-Bo Yu. Nguồn: Flip Tanedo, UC Riverside.

“Do các lý thuyết trường bảo giác vừa khó hiểu vừa bất thường, chúng không thể ứng dụng một cách hệ thống với vật chất tối”, Tanedo cho biết thêm. “Thay vì sử dụng ngôn ngữ này, chúng tôi dùng lý thuyết chiều dư holography”.

Đặc điểm chính của lý thuyết chiều dư là lực giữa các hạt tối được miêu tả bằng một số vô hạn của các hạt khác nhau với khối lượng khác nhau được gọi là một continuum. Trái lại, các lực thông thường được miêu tả bằng một dạng hạt riêng biệt với một khối lượng có sẵn. Lớp của các lĩnh vực continuum -tối đó thu hút Tanedo bởi đó là cái gì đó “mới mẻ và khác biệt”.

Theo Tanedo, công việc ông nghiên cứu trước đây về các lĩnh vực tối chủ yếu về các lý thuyết bắt chước hành xử của các hạt hữu hình. Chương trình nghiên cứu của ông đang tìm tòi những dạng cực đoan nhất của các lý thuyết mà các nhà vật lý hạt ít thấy thú vị, có lẽ bởi không có sự tương tự tồn tại trong thế giới thật.

Trong lý thuyết của Tanedo, lực giữa các hạt vật chất tối khác biệt một cách đáng ngạc nhiên với các lực có thể cảm nhận được bằng vật chất thông thường.

Những hàm ý gì về lực tối chiều dư có thể có? Do vật chất thông thường có thể không tương tác với lực tối, Tanedo đưa vào ý tưởng vật chất tối tự tương tác, một ý tưởng tiên phong của Hai-Bo Yu, một phó giáo sư vật lý và thiên văn học tại UCR và không tham gia vào nghiên cứu này. Yu đã chứng tỏ ngay cả trong sự thiếu bất kỳ tương tác nào với vật chất thông thường, các hiệu ứng của lực tối có thể vẫn được quan sát một cách gián tiếp trong những thiên hà hình cầu lùn. Nhóm nghiên cứu của Tanedo đã tìm ra lực continuum có thể tái tạo các chuyển động sao có thể quan sát được.

“Mô hình của chúng tôi đi xa hơn và khiến nó trở nên dễ dàng hơn là mô hình vật chất tối tự tương tác để giải thích nguồn gốc của vật chất tối trong vũ trụ này”, Tanedo nói.

Bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu của Tanedo sẽ khám phá một phiên bản liên tục của mô hinh ‘hạt photon tối’.

“Đó là một bức tranh hiện thực hơn cho một lực tối”, Tanedo nói. “Các hạt photon tối đã được nghiên cứu rất chi tiết nhưng khung chiều dư của chúng tôi có một chút điều mới. Chúng tôi sẽ nhìn vào vũ trụ của các lực tối và vật lý của các lỗ đen”.

Tanedo đã tập trung vào việc nhận điện “các điểm mù” trong cuộc tìm kiếm của nhóm nghiên cứu của mình về vật chất tối.

“Chương trình nghiên cứu của tôi hướng vào một trong những giả định chúng tôi đã làm về vật lý hạt: đó là tương tác của các hạt được miêu tả rất tốt bằng sự thay đổi của nhiều hạt hơn”, ông nói. “Trong khi đó sự thật về các hạt thông thường là, không có nguyên nhân nào để giả định về vật chất tối. Những tương tác của chúng có thể được miêu tả bằng sự liên tục của các hạt được hoán đổi hơn là sự hoán đổi của một dạng của hạt mang lực”.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2021-06-dimension-quest-dark.html

https://scitechdaily.com/hidden-dark-forces-a-new-dimension-in-the-quest-to-understand-dark-matter/