Chứng tỏ các hạt nhỏ trong vũ trụ cứu chúng ta khỏi sự hủy diệt

Sóng hấp dẫn - các cuộn xoắn của không thời gian, mà chúng ta mới phát hiện gần đây có thể chứa bằng chứng để chứng minh lý thuyết về sự sống tồn tại sau Big Bang là nhờ một chuyển pha cho phép các hạt neutrino thay đổi vật chất và phản vật chất, theo giải thích của một nhóm các nhà nghiên cứu.

Công trình của họ mang tên “Testing the Seesaw Mechanism and Leptogenesis with Gravitational Waves” mới được xuất bản trên Physical Review Letters.

Chúng ta đã được cứu khỏi một cơn hủy diệt hoàn toàn như thế nào vẫn còn là một câu hỏi dược đặt ra trong các tác phẩm văn học viễn tưởng hoặc một bộ phim Hollywood. Theo thuyết Big Bang của vũ trụ hiện đại, vật chất được tạo ra ở mức cân bằng với phản vật chất. Nếu sự cân bằng vẫn tồn tại, vật chất và phản vật chất cuối cùng có thể gặp nhau và một sự hủy diệt lẫn nhau sẽ xảy ra, dẫn đến một sự hủy diệt hoàn toàn.

Nhưng sự tồn tại của chúng ta lại mâu thuẫn với chính lý thuyết này. Để vượt qua được cơn hủy diệt hoàn toàn, vũ trụ phải đưa ra một lượng nhỏ phản vật chất thành vật chất để tạo ra sự bất cân bằng giữa chúng. Sự bất cân bằng cần thiết chỉ là mức phần tỉ. Từ đó có một bí ẩn vẫn còn tồn tại là khi nào và như thế nào mà sự bất cân bằng đó được tạo ra.

“Vũ trụ này trở nên mờ tối nếu chúng ta nhìn lại khoảng một triệu năm sau khi vũ trụ dược sinh ra. Điều này tạo ra câu hỏi cơ bản khó trả lời ‘tại sao chúng ta ở đây?’,” đồng tác giả công bố Jeff Dror, postdoct tại trường đại học California, Berkeley, và nhà nghiên cứu vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Mĩ Lawrence Berkeley.

Kể từ khi vật chất và phản vật chất có điện tích trái dấu, chúng không thể chuyển đổi cho nhau, trừ phi chúng trung hòa về điện tích. Các hạt neutrino là những hạt vật chất duy nhất trung hòa về điện tích mà chúng ta biết và chúng là đối thủ mạnh nhất để làm công việc này. Một lý thuyết mà nhiều nhà nghiên cứu ủng hộ là Vũ trụ đã trải qua một chuyển pha mà các hạt neutrino có thể tráo đổi vật chất và phản vật chất.

“Một chuyển pha giống như nước sôi bay hơi, hoặc nước lạnh đóng băng. Hành xử của vật chất thay đổi tại các mức nhiệt độ cụ thể được gọi là nhiệt độ tới hạn. Khi một kim loại nào đó được làm lạnh ở một mức nhiệt độ thấp, việc mất hoàn toàn điện trở do một chuyển pha khiến nó trở thành một siêu dẫn. Nó là vấn đề cơ bản của Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) để chẩn đoán ung thư hoặc công nghệ t\nâng bằng lực từ, công nghệ cho phép nâng một con tàu lên để có nó thể chạy với vận tốc 300 dặm/giờ. Giống như một siêu dẫn, chuyển pha trong vũ trụ sớm này có thể tạo ra một ống mỏng từ trường gọi là các dây vũ trụ”, đồng tác giả công bố Hitoshi Murayama, giáo sư vật lý MacAdams tại trường đại học California, Berkeley, nhà nghiên cứu chính tại Viện Vật lý và Toán học cho nghiên cứu vũ trụ Kavli, ĐH Tokyo, và nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Mĩ Lawrence Berkeley.

Dror và Murayama đều là thành viên của một nhóm nghiên cứu gồm các nhà nghiên cứu Nhật Bản, Mĩ và Canada, những người tin vào các dây vũ trụ sau khi cố gắng để đơn giản chúng, dẫn đến sự quét tần rất nhỏ của không thời gian, vẫn được gọi là các sóng hấp dẫn. Có thể dò được chúng bằng các quan sát ở LISA, BBO (Cơ quan Không gian châu Âu) hoặc DECIGO (Cơ quan Khám phá vũ trụ Nhật Bản) với  gần như các mức nhiệt độ tới hạn có thể.

“Khám phá gần đây về sóng hấp dẫn đã mở ra một cơ hội mới để nhìn lại vũ trụ trong một khoảng thời gian, như vũ trụ đã trở nên rõ ràng hơn với hấp dẫn theo cách có thể thấy được thời điểm bắt đầu. Khi vũ trụ có thể ở vào thời điểm nóng một tỉ lần đến một nghìn nghìn tỉ lần so với điểm nóng nhất trong vũ trụ ngày nay, các hạt neutrino đã có hành xử theo cách mà chúng đã được đòi hỏi để đảm bảo sự sống sót của chúng ta. Chúng tôi đã chứng minh chúng có thể để lại đằng sau một nền của những cuộn xoắn sóng hấp dẫn mà chúng ta dò được”, đồng tác giả Graham White, một postdoct tại TRIUMF, cho biết.

“Các dây vũ trụ được sử dụng một cách phổ biến như một cách tạo ra những những biến đổi nhỏ trong các khối đậm đặc lớn mà cuối cùng trở thành các ngôi sao và các thiên hà nhưng gần đây dữ liệu đã loại trừ ý tưởng này. Bây giờ với công trình của chúng tôi, ý tưởng đó đã trở lại bởi một nguyên nhân khác. Điều này thật thú vị!”, Takashi Hiramatsu, một postdoct tại Viện nghiên cứu Tia vũ trụ, trường đại học Tokyo, nơi vận hành máy dò sóng hấp dẫn KAGRA của Nhật Bản và thí nghiệm Hyper-Kamiokande.

“Sóng hấp dẫn từ các dây vũ trụ có một phổ rất khác biệt từ các nguồn vật lý thiên văn như các vụ sáp nhập lỗ đen. Thật vô cùng hợp lý khi chúng ta sẽ hoàn toàn tin tưởng nguồn phát sinh chúng thực là các dây vũ trụ”, Kazunori Kohri, phó giáo sư tại Trung tâm lý thuyết nghiên cứu gia tốc năng lượng cao tại Nhật Bản.

“Thực sự thú vị để tìm hiểu tại sao chúng ta lại tồn tại”, Murayama nói. “Đây là câu hỏi cơ bản nhất về khoa học”.

Anh Vũ dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-02-tiniest-particles-universe-annihilation.html