Các nhà nghiên cứu tìm kiếm vật chất tối tiến gần tới phát hiện mới

85% vật chất trong vũ trụ do vật chất tối tạo ra nhưng chúng ta không biết chúng chính xác là gì.

Sự phân rã vật chất tối có thể tạo ra một quầng sáng của phát xạ tia X quanh trung tâm của Ngân hà, có thể dò được khi nhìn vào các vùng tối của Ngân hà. Credit: Artistic rendering by Christopher Dessert, Nicholas L. Rodd, Benjamin R. Safdi, Zosia Rostomian (Berkeley Lab) 

Nghiên cứu mới “The dark matter interpretation of the 3.5-keV line is inconsistent with blank-sky observations” trên Science của các nhà nghiên cứu trường đại học Michigan, Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) và trường đại học California ở Berkeley đã loại trừ vật chất tối liên quan đến các tín hiệu điện từ bí ẩn mà các quan sát trước đây thấy từ các thiên hà gần kề.

Trước công trình này có những hi vọng rất lớn rằng các tín hiệu đó có thể đem lại cho các nhà vật lý bằng chứng để giúp nhận diện vật chất tối.

Người ta không thể quan sát vật chất tối một cách trực tiếp bởi nó không hấp thụ, phản xạ hay phát ra ánh sáng nhưng các nhà nghiên cứu đã biết sự tồn tại của nó thông qua tương tác của nó với vật chất khác. Chúng ta cần vật chất tối để giải thích các lực hấp dẫn vẫn giữ các thiên hà lại với nhau.

Các nhà vật lý đã đề xuất vật chất tối là một “anh em họ” gần với hạt neutrino, hay còn gọi là sterile neutrino. Các neutrino – các hạt hạ nguyên tử không mang điện tích và hiếm khi tương tác với vật chất – đã thoát ra từ những phản ứng hạt nhân bên trong mặt trời. Chúng có khối lượng rất nhỏ nhưng khối lượng này không thể giải thích được bằng Mô hình chuẩn của vật lý hạt. Các nhà vật lý đề xuất thêm hạt sterile neutrino, một hạt giả thiết, có thể chiếm khối lượng này và cũng là vật chất tối.

Các nhà nghiên cứu có thể được hạt sterile neutrino bởi vì nó không bền, Ben Safdi, đồng tác giả, nói. Nó phân rã thành các neutrino thông thường và bức xạ điện từ. Để dò được vật chất tối, các nhà vật lý có thể quét các thiên hà để tìm bức xạ điện từ dưới hình thức phát xạ tia X.

Trong năm 2014, một công trình có nhiều ảnh hưởng khám phá sự vượt quá của phát xạ tia X từ các thiên hà và các cụm thiên hà gần dải Ngân hà. Sự phát xạ này xuất hiện có vẻ phù hợp với khả năng phát sinh từ phân rã sterile neutrino vật chất tối, Safdi nói.

Hiện tại, một phân tích khối dữ liệu thô từ Kính thiên văn tia X XMM-Newton quan sát các vật thể trong dải Ngân hà trong suốt 20 năm đã không thấy bằng chứng là sterile neutrino bao gồm vật chất tối. Nhóm nghiên cứu bao gồm nghiên cứu sinh Christopher Dessert, Nicholas Rodd, một nhà vật lý với nhóm nghiên cứu vật lý lý thuyết ở Berkley Lab và Trung tâm vật lý lý thuyết Berkley.

“Bài báo năm 2014 và những công trình tiếp theo xác nhận tín hiệu này đã tạo ra mối quan tâm lớn trong cộng đồng vật lý thiên văn và vật lý hạt bởi vì nó đem lại khả năng hiểu biết, lần đầu tiên, một cách chính xác vật chất tối là gì ở cấp độ vi mô”, Safdi nói. “Phát hiện của chúng tôi không có nghĩa là bác bỏ vật chất tối không phải là một sterile neutrino, mà ở chỗ – tương phản với bài báo năm 2014 – nó cho thấy không có bằng chứng thực nghiệm nào để chỉ ra sự tồn tại của nó cả”.

Kính thiên văn vũ trụ tia X như XMM-Newton đã chỉ ra các môi trường giàu vật chất tối để tìm kiếm bức xạ điện từ mờ nhạt từ việc hình thành các tín hiệu tia X. Phát hiện năm 2014 đặt tên phát xạ tia X này là “3.5 keV line” bởi nơi tín hiệu xuất hiện trên các máy dò tia X.

Nhóm nghiên cứu tìm tuyến này trong dải Ngân hà bằng việc sử dụng kho dữ liệu 20 năm của XMM-Newton. Các nhà vật lý biết vật chất tối được thu thập quanh các thiên hà, vì vậy khi các phân tích trước nhing vào các thiên hà và các cụm thiên hà gần đó, mỗi hình ảnh của chúng có thể bắt được một số cột của quầng vật chất tối thuộc Ngân hà.

Họ đã dùng những hình ảnh đó để nhìn vào phần tối nhất của Ngân hà. Nó đã cải thiện một cách đáng kể độ nhạy của các nghiên cứu tìm vật chất tối sterile neutrino trước đây, Safdi nói.

“Mỗi nơi chúng tôi nhìn vào, đều có thể có một vài luồng vật chất tối từ quầng Ngân hà, Rodd của Berkeley Lab cho biết, bởi vị trí của hệ mặt trời của chúng ta trong thiên hà này. “Chúng tôi đã khai thác yếu tố này bởi chúng ta đang sống trong một quầng vật chất tối”.

Christopher Dessert, một đồng tác giả nghiên cứu, cho rằng các cụm thiên hà nơi dòng 3.5 keV được quan sát đã có các tín hiệu nền lớn – những dạng nhiễu trong các quan sát và có thể làm các nhà nghiên cứu khó khăn hơn để chọn ra được tín hiệu cụ thể có thể liên quan đến vật chất tối.

“Nguyên nhân này giải thích tại sao chúng ta nhìn qua được quầng vật chất tối thiên hà của dải Ngân hà, vốn có nền thấp hơn nhiều”, Dessert giải thích.

Ví dụ, XMM-Newton đã chụp được những ảnh các vật thể bị cô kaapj giống như những ngôi sao đơn lẻ trong dải Ngân hà. Các nhà nghiên cứu đã đưa những hình ảnh đó và lọc ra những vật thể theo từng chủ đề quan tâm, để lại những môi trường tối và ban sơ để tìm kiếm tín hiệu của phân rã vật chất tối. Việc kết hợp với các quan sát trong 20 năm qua cho phép một chứng minh chưa từng thấy về vật chất tối sterile neutrino.

Nếu sterile neutrino là vật chất tối và nếu sự phân rã của chúng dẫn đến một phát xạ của đường 3.5 keV, Safdi và đồng nghiệp có thể đã quan sát nó trong phân tích của mình. Nhưng họ đã không tìm thấy bằng chứng nào cho vật chất tối sterile neutrino.

“Khi công trình này được tiến hành, thật không may đã dội nước lạnh vào những gì vẫn từng được trông chờ là bằng chứng đầu tiên về vật chất tối trong tự nhiên ở cấp độ vi mô, nhưng nó cũng mở ra một cách tiếp cận hoàn toàn mới để tìm kiếm vật chất tối và có thể dẫn đến một phát hiện trong tương lai gần”, Safdi nói.

Thanh Phương dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-03-dark-home.html