Những ý tưởng mới về việc tìm kiếm vật chất tối

Kể từ những năm 1980, các nhà nghiên cứu đã thực hiện nhiều thí nghiệm để nghiên cứu về các hạt tạo nên vật chất tối, một dạng vật chất không nhìn thấy được nhưng chiếm 80% vật chất trong thiên hà của chúng ta và trong vũ trụ. Vật chất tối được mang danh như vậy bởi nó không phát ra ánh sáng và đã chứng tỏ được là có ảnh hưởng lên vật chất thông thường thông qua lực hấp dẫn. Các nhà khoa học biết nó có ở đó nhưng vẫn không rõ nó là gì.

Vì vậy nhóm nghiên cứu tại Caltech do Kathryn Zurek, một giáo sư vật lý lý thuyết, dẫn dắt, đã trở lại với vật chất tối với những ý tưởng mới. Họ đã tìm đến khả năng vật chất tối được hình thành từ các hạt thuộc “khu vực tối”, vốn là những hạt nhẹ hơn các hạt được đề xuất trước đây, và về mặt lý thuyết, có thể được tìm thấy bằng các thiết bị gắn màn hình hiển thị tương tự máy tính bảng loại nhỏ. Đề xuất này tương phản với những cách kiếm tìm hiện tại bởi các nhà khoa học vẫn đang tìm kiếm các ứng cử viên vật chất tối nặng hơn mà người ta vẫn gọi là các hạt nặng tương tác yếu (WIMP) bằng các thực nghiệm quy mô lớn như XENON, thiết bị được lắp đặt dưới lòng đất gồm bể chứa 70.000 gallon nước ở Italy.

“Vật chất tối luôn luôn chuyển động quanh chúng ta, thậm chí ngay trong căn phòng này”, Zurek, người đầu tiên đề xuất về các hạt thuộc nhóm chưa biết từ cả thập kỷ trước. “Khi chúng ta chuyển động quanh trung tâm của dải Ngân hà, ‘luồng gió’ ổn định của vật chất tối thường ít được nhận thấy. Tuy nhiên chúng ra có thể đạt được một số tiến bộ trong hiểu biết về nguồn gốc vật chất tối, và thiết kế những cách mới để tìm kiếm những tương tác giữa gió vật chất tối và máy dò của chúng ta”.

Trong bài báo mới “Detecting Light Dark Matter with Magnons” mới được chấp thuận xuất bản trên Physical Review Letters, các nhà vật lý đã phác họa ra cách các hạt vật chất tối có khối lượng nhẹ hơn có thể được dò thông qua magnon, một dạng chuẩn hạt (quasiparticle). Một chuẩn hạt là một hiện tượng đột sinh xuất hiện khi một chất rắn hành xử như thể chứa các hạt tương tác yếu. Các magnon là một dạng của chuẩn hạt trong đó hạt điện tích electron có spin – vốn đóng vai trò như các nam châm nhỏ – được kích thích. Trong ý tưởng về thực nghiệm trên thiết bị có bảng hiển thị của các nhà khoa học, một vật liệu dạng tinh thể từ có thể được sử dụng kể tìm kiếm các dấu hiệu những hạt magnon do vật chất tối sinh ra bị kích thích.

“Nếu các hạt vật chất tối này nhẹ hơn proton, theo quy ước thì có thể phức tạp hơn để dò những tín hiệu của chúng”, Zhengkang (Kevin) Zhang, một postdoc tại Caltech và là tác giả nghiên cứu, cho biết. “Nhưng theo nhiều mô hình chuyển động, đặc biệt những mô hình bao hàm những “khu vực tối”, vật chất tối có thể bắt cặp với các spin của các electron, chúng sẽ tạo ra các mức kích thích spin, hoặc các magnon. Nếu chúng ta giảm bớt nhiễu nền này bằng việc làm lạnh thiết bị, chúng ta có thể hi vọng dò được các magnon được sinh ra từ vật chất tối và không có vật chất thông thường”.

Một thực nghiệm như vậy mới chỉ tồn tại về mặt lý thuyết nhưng có thể cuối cùng sẽ được thực hiện với việc đặt những thiết bị nhỏ ở dưới mặt đất, giống như một cái mỏ, nơi nằm ngoài những ảnh hưởng từ những hạt khác, ví dụ như các tia vũ trụ.

Một tín hiệu được máy dò vật chất tối ghi lại các thực nghiệm có bảng điện tử hiển thị có thể được thay đổi tín hiệu phụ thuộc vào khung thời gian theo ngày. Nó tùy thuộc vào các tinh thể từ có thể được sử dụng để dò vật chất tối có thể là bất đẳng hướng, nghĩa là các hạt nhân được sắp xếp một cách tự nhiên theo cách mà chúng có xu hướng tương tác với vật chất tối mạnh hơn khi vật chất tối đến từ những hướng đã biết.

“Khi trái đất chuyển động qua quầng vật chất tối trong thiên hà, có thể cảm thất gió vật chất tối thổi từ hướng mà hành tinh đang di chuyển. Một máy dò được đặt tại một địa điểm đã biết trên trái đất quay cùng hướng với trái đất, vì thế gió vật chất tối ‘va trúng’ từ những hướng khác nhau trong những khỏng thời gian khác nhau trong ngày, thi thoảng từ phía trên xuống, thi thoảng thì bên cạnh vào”, Zhang nói.

“Ví dụ trong suốt ngày, anh có thể đạt được một tỷ lệ dò cao hơn khi vật chất tối đến từ bên trên hơn bên cạnh. Nếu anh có thể nhìn thấy điều này, đây sẽ là một chỉ dấu vô cùng đẹp và vô cùng đúng để cho thấy là anh đã thấy vật chất tối”.

Các nhà nghiên cứu còn có những ý tưởng khác về cách vật chất tối có thể tự bộc lộ chính mình. Thêm vào các hạt magnon. Họ đề xuất là các hạt vật chất tối nhẹ hơn có thể được dò qua các photon cũng như với dạng khác của chuẩn hạt là phonon, vốn là nguyên nhân gây ra các xâm phạm trong một mạng tinh thể. Các thực nghiệm ban đầu dựa trên các hạt photon và phonon đều được thực hiện tại UC Berkeley, nơi nhóm nghiên cứu làm việc trước khi Zurek chuyển sang Caltech vào năm 2019. Các nhà nghiên cứu cho biết, việc sử dụng các chiến lược với nhiều cách tiếp cận khác nhau để tìm kiếm vật chất tối là điều cốt yếu bởi chúng sẽ bổ sung cho nhau và có thể giúp xác nhận các kết quả của từng cách khác nhau.

“Chúng tôi đang tìm những cách mới để dò vật chất tối bởi vì dù những hiểu biết về vật chất tối của chúng tôi còn rất ít ỏi thì vẫn đáng để xem xét về vật chất tối trên mọi khả năng có thể”, Zhang nói.

Thanh Phương dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-06-ideas-dark.html