Các hạt graviton có khối lượng là ứng viên vật chất tối?
Ngày nay, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đang cố gắng dò vật chất tối, một loại vật chất chưa từng quan sát được nhưng được tin là chiếm phần lớn lượng vật chất trong vũ trụ. Không phản xạ ánh sáng, người ta chỉ có thể thấy sự hiện diện của nó một cách gián tiếp thông qua các tương tác hấp dẫn với vật chất thông thường.
Các ứng viên hứa hẹn của vật chất tối là các axion, neutrino, và những hạt có khối lượng tương tác yếu. Gần đây, một số nhà vật lý đã bắt đầu tìm hiểu khả năng có thể của các dạng hạt giả thuyết khác, các hạt graviton có khối lượng, có thể là những ứng viên.
Lý thuyết đề xuất là các hạt graviton có khối lượng được tạo ra trong các va chạm giữa vật chất thông thường trong môi trường nóng và đặc của vũ trụ sớm, trong khoảng thời gian vô cùng ngắn ngủi sau Big Bang. Dù các lý thuyết dự đoán sự tồn tại của chúng nhưng người ta chưa bao giờ quan sát một cách trực tiếp các hạt đó.
Các nhà nghiên cứu tại trường đại học Hàn Quốc và Lyon gần đây đã đưa ra một nghiên cứu lý thuyết khám phá khả năng có thể về các hạt graviton có khối lượng có thể là ứng viên tốt cho vật chất tối. Kết quả từ những lý thuyết tính toán của họ mới được xuất bản trong một bài báo trên Physical Review Letters 1.
“Nghiên cứu của chúng tôi được bắt đầu bằng việc xem xét các chiều dư, cụ thể là các chiều dư biến dạng, vốn đã được nghiên cứu ngót 20 năm qua”, Giacomo Cacciapaglia, một trong những nhà nghiên cứu tham gia thực hiện công trình này, nói với Phys.org. “Khi hấp dẫn được lan truyền trong vũ trụ không thể quan sát đó, nó vật chất hóa các hạt graviton có khối lượng. Việc kết cặp của chúng với vật chất thông thường rất yếu, đã hình thành nên nguồn gốc của hấp dẫn.”
Quá trình mà qua đó tạo ra các hạt graviton có khối lượng về mặt lý thuyết này rất hiếm khi xảy ra. Vì vậy, mức các hạt đó được tạo ra thấp hơn hẳn so với mức các hạt thông thường. Cacciapaglia và cộng sự là Haiying Cai và Seung Lee tự hỏi liệu có đủ các hạt graviton được tạo ra trong vũ trụ sớm để họ xem xét nó như một ứng cử viên sáng giá cho vật chất tối không.
“Bằng việc tính toán tốc độ sinh của các hạt đó, chúng tôi tìm thấy một vài quá trình tăng cường dưới thang nơi các hạt Higgs boson sinh khối lượng cho các hạt thông thường cỡ một picosecond (tương đương 10⁻¹² giây) sau Big Bang”, Cacciapaglia nói. “Chúng tôi đã chứng tỏ sự tăng cường này đủ để tạo ra một lượng đúng về vật chất tối dưới dạng các hạt graviton có khối lượng dưới mức MeV”.
Các tính toán do Cai, Lee và Cacciapaglia thực hiện đã chứng tỏ thay cho được liên kết với thứ vật lý mà chúng ta còn chưa biết xuất hiện ngay sau Big Bang, việc tạo ra các hạt graviton có khối lượng có hiệu quả nhất ở dưới thang năng lượng, trong đó có các hạt Higgs bosons. Higgs bosons là những hạt cơ bản mang trường Higgs, trường đem khối lượng cho các hạt cơ bản như electron và quark.
“Nó được rút ra từ một kết nối trực tiếp giữa vật lý được nghiên cứu tại Máy gia tốc hạt lớn LHC ở Geneva và vật lý của hấp dẫn và vật chất tối trong Vũ trụ sớm”, Cacciapaglia nói. “Kết quả của chúng tôi chỉ dấu rằng vật chất tối có hấp dẫn được sinh ra ở thời gian một picosecond sau Big Bang, tại thời điểm mà các lý thuyết hiện hành có thể miêu tả tốt vật lý hạt”.
Trong tương lai, những kết quả được nhóm nghiên cứu thu thập được này có thể truyền cảm hứng cho những nghiên cứu mới và những tính toán khám phá việc tạo ra các hạt graviton có khối lượng trong vũ trụ này. Cacciapaglia và cộng sự đã lập kế hoạch xây dựng mô hình lý thuyết được giới thiệu trong công trình của họ và đánh giá các ứng viên vật chất tối khác.
“Hiện tại chúng tôi đang lên kế hoạch tìm hiểu những đặc điểm khác của một mô hình cụ thể trong chiều dư biến dạng mà chúng tôi đã phác thảo trong bài báo này”, Cacciapaglia cho biết thêm. “Chúng tôi quan tâm một cách cụ thể đến vai trò của một hạt vô hướng được gọi là radion và về khả năng kiểm nghiệm tiềm năng trên các vành va chạm hiện tại cũng như tương lai”.
Anh Vũ tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2022-03-massive-gravitons-viable-dark-candidates.html
https://phys.org/news/2022-02-axion-dark.html
—————————————-
1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.081806
