Các lý thuyết về nguồn gốc vật chất tối chỉ ra ‘thế giới gương” và rìa vũ trụ
Hai nghiên cứu mới của giáo sư Stefano Profumo ĐH California, Santa Cruz, đề xuất các lý thuyết có thể trả lời một trong những câu hỏi mở, cơ bản bậc nhất của vật lý hiện đại: bản chất hạt của vật chất tối là gì?
Hình minh họa cơ chế do Giáo sư Stefano Profumo đề xuất, trong đó các hiệu ứng lượng tử gần chân trời vũ trụ đang giãn nở rộng nhanh chóng sau Vụ nổ lớn tạo ra các hạt vật chất tối do lực hấp dẫn. Nguồn: Stefano Profumo
Khoa học đã có bằng chứng về thành phần bí ẩn chiếm 80% vật chất của toàn vũ trụ, thực sự tồn tại. Sự hiện diện của vật chất tối giái thích sự gắn kết của các thiên hà với nhau và khiến chúng quay. Các phát hiện như cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ và những đo đạc về phông vi phóng vũ trụ cũng chứng tỏ sự lan tràn của thứ vật chất nào đó chưa được xác định.
Những gì còn chưa rõ lắm là nguồn gốc của vật chất tối, và do đó, cái gì là đặc trưng hạt của nó? Các câu hỏi đầy sức nặng này đã làm bối rối các nhà vật lý lý thuyết như Profumo. Và trong hai bài báo mới, ông tiếp cận những câu hỏi đó từ các chiều hướng khác, nhưng đều đặt trọng tâm vào ý tưởng vật chất tối có thể đột sinh một cách tự nhiên trong những điều kiện của vũ trụ rất rất sớm – thay vì vật chất tối là một hạt ngoại lai tương tác với vật chất thông thường theo một số cách có thể dò được.
Nguồn gốc mờ ám
Trong nghiên cứu mới xuất bản trên Physical Review D, Profumo khám phá xem liệu vật chất tối có thể được hình thành trong một khu vực kín – một dạng ‘thế giới gương’ với những phiên bản hạt và lực của riêng nó. Hoàn toàn vô hình trước mắt người, cái khu vực mờ ám này có thể tuân theo những lực vật lý như vũ trụ mà chúng ta biết.
Ý tưởng này được truyền cảm hứng từ sắc động lực học lượng tử (QCD), lý thuyết miêu tả cách các hạt quark gắn kết bên trong các proton và neutron bằng lực hạt nhân mạnh. UC Santa Cruz có truyền thống nghiên cứu về lĩnh vực này: giáo sư vật lý hồi hưu Michael Dine giúp phát triển mô hình lý thuyết tiên phong bao gồm QCD axion, một ứng viên vật chất tối hàng đầu trong khi giáo sư Abe Seiden đóng góp vào những nỗ lực thực nghiệm chứng tỏ cấu trúc của các hadron – các hạt tạo thành hạt quark- trong những thực nghiệm vật lý năng lượng cao.
Trong công trình mới của Profumo, lực mạnh được tái hiện trong lĩnh vực tối như một lý thuyết “QCD tối” được tinh chỉnh, với các hạt của chính nó – hạt quark tối và gluon tối – gắn kết với nhau để hình thành các hạt thành phần nặng gọi là các baryon tối. Trong những điều kiện nhất định của vũ trụ sớm, các baryon tối đó có thể trở nên đậm đặc và nặng đủ để suy sụp trong hấp dẫn của nó thành những lỗ đen bền, nhỏ – hoặc các vật thể hành xử giống lỗ đen.
Các lỗ đen đó – giống như những tàn tích chỉ nặng hơn khối lượng Planck vài lần – quy mô khối lượng cơ bản của hấp dẫn lượng tử – nhưng nếu tạo ra một số lượng đủ, húng có thể bao hàm tất cả những vật chất tối được quan sát ngày nay. Bởi vì chúng có thể tương tác qua hấp dẫn, chúng có thể hoàn toàn ‘ẩn danh’ trước máy dò hạt – thì sự hiện diện của chúng cũng có thể định hình vũ trụ ở các quy mô lớn nhất.
Kịch bản này đề ra một khung mới, có thể kiểm chứng và đặt nền móng trên một thứ vật lý đã được hiểu tốt, trong khi vẫn mở rộng cuộc khám phá bền bỉ ở UC Santa Cruz về những nguyên tắc lý thuyết sâu sắc có thể giúp giải thích một trong những câu hỏi lớn nhất của vũ trụ học.
Trên đường chân trời
Một nghiên cứu khác của Profumo, xuất bản trên cùng tạp chí, khám phá xem liệu vật chất tối có thể tạo ra bằng sự giãn nở ‘chân trời vũ trụ” của vũ trụ này không – về cơ bản, chân trời vũ trụ tương đương với một chân trời sự kiện của một lỗ đen.
Bài báo này đặt câu hỏi, nếu vũ trụ trải qua một thời kỳ ngắn giãn nở gia tốc sau lạm phát – một thứ gì đó ít cực đoan hơn lạm phát nhưng vẫn làm vũ trụ giãn nở nhanh hơn bức xạ hoặc vật chất cho phép – thì pha này tự nó có ‘phát xạ’ hạt để tồn tại không?
Với những nguyên tắc từ lý thuyết trường lượng tử trong không thời gian cong, bài báo chứng tỏ từ cơ chế này, có thể có được một phạm vi khối lượng vật chất tối, phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian diễn ra pha này.
Quan trọng hơn, Profumo nói nó không đòi hỏi bất cứ giả định nào về cách vật chất tối tương tác – chỉ duy nhất sự ổn định và tạo ra từ hấp dẫn. Ý tưởng này được truyền cảm hứng từ cách người quan sát gần chân trời vũ trụ, tiếp nhận bức xạ nhiệt do hiệu ứng lượng tử.
“Cả hai cơ chế này đều là suy đoán nhưng chúng đưa ra được những kịch bản độc lập, có thể tính toán mà không phụ thuộc vào các mô hình vật chất tối hạt thông thường, vốn ngày càng chịu áp lực bởi các kết quả thực nghiệm vô nghĩa”, Profumo nói.
Profumo cũng từng viết sách về cuộc truy tìm bản chất vật chất tối, cuốn sách in năm 2017 “An Introduction to Particle Dark Matter” gồm các bài giảng mà ông nghiên cứu và sử dụng các công trình nghiên cứu bằng các kỹ thuật tiên tiến mà nhiều nhà khoa học đã phát triển trong nhiều năm để xây dựng và thử nghiệm các mô hình hạt cho vật chất tối. Cuốn sách này mô tả “mô thức vật chất tối” như “một trong những phát triển chính tại điểm giao của vũ trụ học và vật lý hạt cơ bản”, và dành cho những ai quan tâm đến vi bản chất của vật chất tối.
Profumo nói những xuất bản mới tiếp tục truyền thống của trường, khám phá những ý tưởng kết nối những câu hỏi sâu sắc nhất trong vật lý hạt với hành xử quy mô lớn của vũ trụ. “Và các nghiên cứu đó cũng được thực hiện theo cách vẫn còn được bám rễ vào thứ vật lý mà chúng ta biết – liệu lý thuyết trường trong không thời gian cong, hoặc các đặc trưng đã được nghiên cứu của lý thuyết gauge SU(N) – trong khi vẫn đưa chúng đến với những biên giới mới”, ông nói.
Anh Vũ dịch từ UC Santa Cruz
Nguồn: https://news.ucsc.edu/2025/08/dark-matter-origin-theories/
