Điều gì xảy ra nếu không tìm thấy vật chất tối?

Có khả năng là vật chất tối vô cùng khó nắm bắt và chúng ta có thể không bao giờ hiểu được bản chất thật sự của nó.

Phần lớn vật chất trong vũ trụ đều vô hình với mắt thường. Chúng ta có thể đo lường được tác động hấp dẫn của vật chất tối trong quỹ đạo của các ngôi sao và các thiên hà, có thể thấy cách chúng bẻ cong ánh sáng quanh mình, có thể dò được hiệu ứng của nó trên ánh sáng khắp plasma ban sơ của nồi xúp Big bang và có lý do để tin vật chất tối có ở khắp mọi nơi. Nhưng chúng ta chưa thể biết nó là gì.

Từ hàng thập kỷ qua, chúng ta đã cố gắng dò vật chất tối trong các thực nghiệm song chưa làm nó hiện hình. Có thể nguyên nhân là những cú dò dẫm đầu tiên của chúng ta mới chỉ quanh quẩn ở một chỗ nhưng sự chờ đợi kết quả dài dằng dặc cũng gợi ý cho một số thợ săn vật chất tối là có phải chúng ta đang tìm kiếm sai chỗ hoặc sai cách. Nhiều nỗ lực thực nghiệm đã tập trung vào một nơi có thể nhận diện được vật chất tối – nơi dường như sẽ góp phần giải quyết đồng thời các vấn đề vật lý khác. Tuy nhiên không có gì đảm bảo những vấn đề vật lý đó lại liên quan đến vật chất tối. Các nhà vật lý ngày càng thấm thía rằng cần phải tìm được một phạm vi giải thích rộng hơn. Điều đó khiến chúng ta vừa khao khát lại vừa sợ hãi vật chất tối.

Chúng ta bắt đầu vật lộn với ý tưởng là có thể không bao giờ chạm được đến bản chất của vật chất tối. Vào những ngày đầu của cuộc săn tìm vật chất tối, ý tưởng này dường như thật ngớ ngẩn. Chúng ta đã có rất nhiều lý thuyết hứa hẹn và vô số thực nghiệm để kiểm chứng. Nhưng khi phần đường dễ dàng nhất đã qua thì vật chất tối đã chứng tỏ nó còn bí ẩn hơn cả hình dung của chúng ta. 

Nếu thực sự tồn tại một vũ trụ không vật chất tối thì có thể sẽ phải thay đổi cả lực hấp dẫn được xây dựng dựa trên thuyết tương đối rộng của Einstein.

Có thể là vật chất tối hành xử theo cách mà các thực nghiệm hiện tại không phù hợp để dò – hay thậm chí phải loại trừ hoàn toàn vật chất thông thường. Nếu nó không tương tác với các nguyên tử tiêu chuẩn thông qua bất cứ cơ chế nào ngoài hấp dẫn, có thể là gần như không thể dò được nó trong phòng thí nghiệm. Trong trường hợp này, chúng ta vẫn có thể hy vọng lập được bản đồ về sự hiện diện của nó trong vũ trụ. Nhưng có khả năng là vật chất tối vô cùng khó nắm bắt và chúng ta có thể không bao giờ hiểu được bản chất thật sự của nó.

Chúng ta đang ở một khoảnh khắc đặc biệt của cuộc truy tìm vật chất tối. Kể từ những năm 1990, hàng trăm nghiên cứu đã tìm kiếm những hạt có thể là thành phần cấu tạo nên vật chất tối. Dù loại trừ được nhiều khả năng đơn giản nhất, dễ dàng nhất song phần lớn các nhà vật lý đều biết, vật chất tối đều có ở khoảng không ngoài kia và đại diện cho một số hình thức nào đó của vật chất.

Nếu thực sự tồn tại một vũ trụ không vật chất tối thì có thể sẽ phải thay đổi cả lực hấp dẫn được xây dựng dựa trên thuyết tương đối rộng của Einstein. Việc cập nhật lý thuyết này theo cách tránh vật chất tối – bằng điều chỉnh các phương trình của lý thuyết tương đối rộng trong khi vẫn giữ được khung khổ cơ bản hoặc đưa vào một số mô thức mới thay thế tương đối rộng một cách đầy đủ – dường như vô cùng khó.

Những thay đổi này có thể sẽ phải bắt chước được hiệu ứng vật chất tối trong các hệ vật lý thiên văn, trải rộng từ các cụm thiên hà khổng lồ đến những thiên hà vệ tinh nhỏ nhất của dải Ngân hà. Nói cách khác, những thay đổi đó có thể cần được đưa vào một phạm vi khổng lồ về khoảng cách và thời gian và không mâu thuẫn với các phép đo đã có về cách hấp dẫn vận hành vũ trụ. 

Một trong những nguyên nhân khiến nhiều nhà vật lý yêu ý tưởng WIMP là những hạt đó có thể tạo ra một cách tự nhiên lượng vật chất tối trong vũ trụ mà chúng ta quan sát.

Các biến đổi đó có thể cũng cần giải thích tại sao, nếu vật chất tối chỉ là một sửa đổi của hấp dẫn, không phải mọi thiên hà và cụm thiên hà đều có vật chất tối. Tuy nhiên, phần lớn các nỗ lực xây dựng các lý thuyết tự nhất quán với hấp dẫn được biến đổi để giải thích vật chất tối cuối cùng đều dẫn đến một dạng vật chất tối khớp với những gợn sóng mà chúng ta quan sát trong phông vi sóng vũ trụ, thứ ánh sáng còn sót lại từ Big bang.

Trái ngược với điều đó, việc định vị một dạng vật chất mới không tương tác với ánh sáng là một ý tưởng đơn giản. Trên thực tế, chúng ta đã có một ví dụ về vật chất tối trong hình thức của các hạt neutrino – những hạt gần như không có khối lượng, có mặt ở muôn nơi và hiếm khi tương tác với vật chất thông thường. Vấn đề chỉ là chúng ta mới biết các hạt neutrino không thể giải thích được sự tồn tại của vật chất tối trong vũ trụ, nhiều lắm thì chúng chỉ chiếm 1%.

Nếu thế thì 99% còn lại là gì? Vật chất tối có thể là phần nổi của tảng băng khám phá, sự soi rạng đầu tiên về một hay nhiều hạt mới không thuộc về Mô hình chuẩn của vật lý hạt? Có thể vật chất tối cảm nhận được những lực mới mà các hạt đã biết không cảm nhận được (theo cùng cách mà vật chất tối không cảm nhận được lực điện từ), hoặc có thể liên quan đến các nguyên lý cơ bản mới của tự nhiên? Có thể vật chất tối lý giải được những câu hỏi đáng chú ý nhưng vẫn ẩn trong vật lý đã được hiểu của Mô hình chuẩn, hoặc có thể tiết lộ những khoảnh khắc sớm nhất của lịch sử vũ trụ? Từ giờ, phần trả lời cho những câu hỏi đó đều được định nghĩa là “có thể” – nhưng sự hấp dẫn của khám phá phía trước lại thúc giục chúng ta tiếp tục đi.

Hai trong số những đề xuất phổ biến nhất cho sự nhận diện vật chất tối là các hạt nặng tương tác yếu (WIMP) và axion của sắc động lực học lượng tử (QCD). Các ý tưởng này đã định hình cách các nhà lý thuyết nghĩ về vật chất tối và khơi gợi nhiều thực nghiệm để tìm kiếm chúng.

Các hạt nặng tương tác yếu là những hạt bền mang tính giả thuyết với các khối lượng tương đương với các hạt của Mô hình chuẩn. Khối lượng của một proton là dưới 1 GeV/c², và phần lớn các cuộc tìm kiếm WIMP đều tập trung vào phạm vi khối lượng từ 10 đến 1.000 GeV/c² (các nhà vật lý hạt tìm sự phù hợp của nó với các khối lượng đo đạc trong các khối năng lượng bằng công thức E = mc² của Einstein. Phiên bản cổ điển của một hạt WIMP là một hạt mới tương tác trực tiếp với các boson W và Z, những hạt có thể mang cả lực hạt nhân yếu (chữ “W” trong WIMP). Nhiều hạt xuất hiện một cách tự nhiên trong các mô hình siêu đối xứng, nơi từng hạt đã biết đều có một bản sao nặng hơn gọi là một siêu hạt (superpartner). Một thập kỷ rưỡi đã qua, Cỗ máy gia tốc hạt lớn ở gần Geneva được hy vọng là tìm được các siêu hạt nhưng hóa ra lại không may mắn đến thế. Nếu siêu đối xứng tồn tại thì các siêu hạt phải nặng hơn những gì chúng ta chờ đợi. Hơn nữa, dẫu có nhiều phiên bản siêu đối xứng dự đoán vật chất tối WIMP nhưng điều ngược lại về siêu hạt của nó lại không đúng; WIMPs vẫn là những ứng viên vật chất tối tiềm năng ngay cả trong một vũ trụ không siêu đối xứng.

Một trong những nguyên nhân khiến nhiều nhà vật lý yêu ý tưởng WIMP là những hạt đó có thể tạo ra một cách tự nhiên lượng vật chất tối trong vũ trụ mà chúng ta quan sát. Theo đó, khi vũ trụ trở nên nhỏ hơn, đậm đặc hơn và nóng hơn hiện tại, ngay cả những tương tác yếu nhất cũng đủ tạo ra WIMP khi các hạt chúng ta đã biết va chạm lẫn nhau. Và một phản ứng tương tự xảy ra ngược lại – khi các hạt WIMP va chạm, chúng tạo ra những hạt thông thường. Nếu ban đầu Big bang không tạo ra WIMP thì các hạt đã biết có thể làm được điều đó. Và các va chạm của WIMP truyền năng lượng của chúng thành các hạt đã biết có thể phá hủy hầu hết các WIMP, khiến chỉ còn lại một đống tàn tích. Ví dụ một hạt WIMP xấp xỉ khối lượng mà hạt Higgs boson có thể tạo ra một lượng đúng vật chất tối. Cơ chế này thật đơn giản và hấp dẫn.

Trong vòng 10 năm tới, các thí nghiệm thế hệ mới có thể trở nên vô cùng nhạy khiến chúng sẽ bắt đầu dò được các hạt neutrino từ các tia Mặt trời thông qua máy dò. Một khi chúng ta đạt được điều đó thì không có những thứ gì có thể ngụy trang là vật chất tối và không còn những thách thức kỹ thuật không thể vượt qua. 

WIMP hấp dẫn nhiều nhà thực nghiệm bởi chúng phải tương tác đáng kể với các hạt đã biết. Có ba cách cổ điển để tìm các WIMP: các thí nghiệm trên máy gia tốc, nơi chúng ta hy vọng tái tạo các điều kiện của vũ trụ sớm bằng việc va chạm các hạt của Mô hình chuẩn lại với nhau và tạo ra vật chất tối; thực nghiệm dò trực tiếp sử dụng các máy dò siêu nhạy để tìm kiếm cái “nhảy” của các hạt hữu hình khi chúng va chạm với một hạt vật chất tối; dò gián tiếp, nơi chúng ta nhìn ra vũ trụ để tìm kiếm những hạt tương đồng được hình thành khi các hạt vật chất tối va chạm và hủy một hạt khác. Cách tiếp cận thứ ba trong những trường hợp cụ thể chính xác là các quá trình phá hủy tương tự với việc hình thành các hạt WIMP trong vũ trụ. Do đó, nếu các tương tác này hành xử theo cùng cách mà chúng đã hành xử trong vũ trụ sớm thì chúng ta có một dự đoán dứt khoát về cách chúng xuất hiện. Với hai cách tiếp cận đầu, các dự đoán không rõ ràng lắm. Trong các tìm kiếm trên máy gia tốc, năng lực của chúng ta dò trúng WIMP phụ thuộc vào khối lượng của chúng: có thể cần nhiều năng lượng hơn để tạo ra các hạt WIMP, vượt quá khả năng của các máy gia tốc hiện có. Và cách dò trực tiếp thì chúng ta không rõ WIMP sẽ thường va chạm vào các hạt thông thường như thế nào.

Các quan sát vật lý thiên văn – dò gián tiếp – đã tiết lộ nhiều tín hiệu có thể gợi ý về sự hủy vật chất tối nhưng cũng cần một số giải thích thuyết phục hơn về điều chúng ta thấy. Ví dụ, Sự vượt quá GeV ở trung tâm thiên hà (Galactic Center GeV Excess) là một lớp ánh sáng rực rỡ của tia gamma từ tâm của dải Ngân hà; nó có tốc độ và năng lượng phù hợp để là một tín hiệu hủy WIMP. Nó được khám phá vào năm 2009, vậy tại sao chúng ta không thể coi đó là một chiến thắng? Thật không may là chúng ta biết rằng spin nhất định của các ngôi sao neutron có thể tạo ra các tia gamma ở những mức năng lượng tương tự, và đó hoàn toàn có thể là độ dư của tín hiệu đầu tiên từ các ngôi sao. Chúng ta hy vọng câu hỏi này sẽ được giải quyết trong những năm tới: phát hiện ra một phản tín hiệu trong một cuộc dò trực tiếp hoặc các thực nghiệm va chạm có thể ủng hộ diễn dịch về vật chất tối, trong khi phát hiện về bức xạ từ các sao neutron tại những bước sóng khác có thể bác bỏ nó.

Trong thập kỷ tới hoặc trong các kính viễn vọng tia gamma lớn trong tương lai (như Kính thiên văn Cherenkov được xây dựng ở Chile, Tây Ban Nha và Đài quan sát tia Gamma phương Nam đã được lên kế hoạch xây dựng ở Nam Mỹ) có thể kiểm tra cơ chế tạo ra vật chất tối WIMP ở những mức khối lượng cao nhất. Ngay cả khi nếu chúng ta không quan sát được hiện tượng hủy vật chất tối thì vẫn có các lỗ hổng cứu lý thuyết WIMP. Trong một số mô hình, quá trình hủy tạo nên WIMP trong vũ trụ sớm đã mất đi sau đó. Tuy nhiên trong những trường hợp đó, các thực nghiệm trên máy gia tốc phải dò được trực tiếp.

Vật chất tối nhẹ và lĩnh vực tối có thể tồn tại mà không dựa vào cơ chế WIMP để tạo ra đúng lượng vật chất tối – có vô số khả năng có thể tạo ra lượng vật chất tối có thể quan sát được.

Các thực nghiệm dò trực tiếp đã có một tiến trình đáng kinh ngạc trong việc cải thiện độ nhạy với các sự kiện hiếm gặp. 

Hạt axion QCD là một dạng rất khác của các ứng viên vật chất tối, và cho đến hiện nay, chúng ta gần như không có khả năng để kiểm chứng nó. Giống như WIMP, nó có thể là một hạt cơ bản mới, dẫu nhỏ hơn: các hạt axion còn nhẹ hơn bất kỳ hạt cơ bản đã biết nào, ngay cả so với hạt neutrino. Nếu các hạt đó tồn tại – dù chúng tạo thành vật chất tối hay không – chúng có thể giải được những câu hỏi tồn tại đã lâu về lực mạnh, lực giữ các hạt nhân nguyên tử lại với nhau. Thêm nữa, các lý thuyết về hạt axion dẫn ra các dự đoán xa xôi: nếu bạn biết khối lượng của axion, bạn có thể ước tính sự tương tác của nó với các hạt đã biết. Thật không may, các tương tác đó phụ thuộc vào khối lượng hạt axion và có thể yếu với các hạt axion nhẹ hơn.

Các tương tác của axion có thể ẩn chứa các hiệu ứng đáng quan tâm bởi nó giải thích cho vật chất tối là chúng có thể nhiều đến mức chúng có thể hiển thị như một sóng hơn là các hạt đơn lẻ. Theo cơ học lượng tử, mỗi hạt cơ bản cũng là một sóng và có một bước sóng liên quan tỉ lệ nghịch với khối lượng của nó. Tại các quy mô nhỏ hơn bước sóng đó, bức tranh cổ điển của một hạt đã bị phá vỡ. Các hạt axion nhẹ đến mức chúng ta có thể mong đợi về nhiều hiệu ứng lượng tử ở khoảng cách tương đương với quy mô của một thực nghiệm trên mặt đất.

Trong thập kỷ tới, những tiên tiến vượt trội về thực nghiệm sẽ giúp kiểm chứng cả WIMP lẫn axion QCD ở phạm vi khối lượng của chúng. Công trình lý thuyết nền tảng đã có và các kế hoạch thực nghiệm cũng đã sẵn sàng. Chúng ta có thể chờ đến lúc đó – các chiến lược đó sẽ đem đến cho chúng ta lời giải.

Và ngay cả WIMP và axion chỉ là những ý tưởng tuyệt đẹp thì cũng không có bảo đảm là vũ trụ này phù hợp với những tham chiếu đầy tính mỹ thuật đó của chúng ta. Và nếu chúng ta đặt câu hỏi “vật chất tối có thể là gì?”, những khả năng có thể về vật chất tối sẽ trải dài gần như vô tận.

Toàn bộ những lý thuyết dùng để giải thích tất cả những gì mà vật chất tối cần để giải thích vũ trụ này nhưng để có thể vận hành, mỗi lý thuyết lại cần những hạt và những lực riêng. Các nhà lý thuyết phải vẽ ra những ý tưởng có hy vọng sẽ vận hành và những ý tưởng mâu thuẫn với các quan sát. Nhiều giả thuyết khả thi khác biệt một cách ngạc nhiên với WIMP hay axion. 

Có giới hạn về các hạt vật chất tối nhỏ. Nếu chúng nhẹ hơn các hạt axion – nhẹ hơn khoảng 25 lần so với khối lượng của electron – bước sóng có thể gần với kích thước của các cụm sao hay các thiên hà nhỏ. Nếu trong trường hợp này, sự phân bố của vật chất tối và vết hấp dẫn của nó có thể khác biệt.

Vậy còn khía cạnh khác của khối lượng? Các cụm vật chất tối nhỏ nhất mà chúng ta có thể quan sát trực tiếp nhỏ hơn mười triệu lần khối lượng của Mặt trời. Từng hạt vật chất tối có thể nhỏ hơn thế nữa, nhưng nó nhỏ hơn ở mức nào? Nếu vật chất tối là các vật thể tối đậm đặc – thường được coi là các vật thể quầng compact khổng lồ (MACHOs), thật hài hước là lại tương phản với WIMPs – thì hấp dẫn của chúng có thể bẻ cong ánh sáng và phá vỡ các quỹ đạo khi chúng đi qua thiên hà theo cách chúng ta có thể thấy. MACHO có thể tạo ra các lỗ đen tí hon ở những khoảnh khắc ban đầu của Big bang. Các lỗ đen có thể không hình thành từ các ngôi sao – bởi vì vật chất tối có trước các ngôi sao – và có thể nhẹ hơn nhiều so với Mặt trời. Chỉ có một cách là các lỗ đen đó có thể bao gồm mọi vật chất tối nếu chúng có khối lượng tương đương như các tiểu hành tinh trong hệ Mặt trời của chúng ta.  

Và chúng ta có hàng loạt các lựa chọn. Quá trình có thể tạo ra các WIMP trong vũ trụ sớm có thể phù hợp với nhiều hạt. Nếu vật chất tối nhẹ hơn cả một proton và được sinh ra từ cơ chế đó, có thể là một trong số nhiều hạt cư ngụ ở một “vùng tối” của vật lý. Các hạt khác nhìn chung có thể không bền, vì vậy chỉ có rất ít ở ngoài không gian. Có thể phát hiện ra chúng trên các máy gia tốc hạt, nếu chúng cũng nhẹ. Vật chất tối nhẹ và lĩnh vực tối có thể tồn tại mà không dựa vào cơ chế WIMP để tạo ra đúng lượng vật chất tối – có vô số khả năng có thể tạo ra lượng vật chất tối có thể quan sát được.

Nếu vật chất tối có tồn tại, chúng ta cần những phương pháp thực nghiệm mới để tìm ra nó. Các máy dò WIMP cổ điển đều không còn nhạy một khi vật chất tối nhẹ hơn hạt nhân nguyên tử. Công nghệ mới có thể tìm kiếm các dấu hiệu của electron (nhẹ hơn proton 2.000 lần) chịu tác động hoặc sử dụng các chiến lược sáng tạo để dò được mức năng lượng nhỏ bé chuyển từ vật chất tối tới các hạt thông thường. 

Các cuộc dò gián tiếp trong không gian cũng mở rộng các mức năng lượng ở một phạm vi rất rộng. Nếu vật chất tối phân rã một cách chậm chạp thành hạt có thể quan sát được, với một vòng đời dài hơn cả tỉ lần so với tuổi vũ trụ thì chúng ta có thể biết ngay các khối lượng có thể của vật chất tối. Chúng ta có thể kiểm chứng các lỗ đen nguyên thủy bằng chính cách tiếp cận này; đó là cách chúng ta biết là nếu các lỗ đen được tạo thành từ vật chất tối thì chúng có thể nhẹ hơn 100 tỉ tấn (nhẹ hơn nên các lỗ đen sẽ phân rã nhanh hơn). 

Và ngay cả nếu chúng ta không thấy một dấu hiệu, chúng ta sẽ tiếp tục nghiên cứu nhiều hơn về vật chất tối bằng việc lập bản đồ hấp dẫn của nó trong vũ trụ. Các quan sát có thể đem lại những manh mối mới về bản chất cơ bản của vật chất tối và sẽ giúp hoàn thiện những gì chúng ta có thể nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

Nếu chúng ta may mắn, một khám phá có thể gợi ý các nhà lý thuyết nghiên cứu bức tranh lớn hơn về cách kết nối vật chất tối với phần còn lại của vô vàn các hạt mà chúng ta đã biết.

Nhưng sẽ là gì nếu không có thực nghiệm nào tìm thấy được một tín hiệu? Tuy không thể phủ nhận kết quả này có thể là một thất vọng nhưng chúng ta vẫn có thể coi nó như một thành công lớn. Bởi khoa học chuyển hướng từng bước và các kết quả giúp chúng ta khoanh vùng để loại trừ những nơi không nên tìm kiếm cũng quan trọng như định vị được những nơi nên tìm kiếm. Nếu chúng ta có thể dự đoán vật chất tối là gì thì cũng có nghĩa, chúng ta đã sẵn sàng biết câu trả lời. Và dẫu chúng ta không thể nói chính xác khi nào hoặc liệu chúng ta có tìm thấy vật chất tối hay không, chúng ta vẫn biết rằng chúng đầy rẫy trong vũ trụ này. Chúng ta càng phấn chấn hơn khi nghĩ tới cuộc tìm kiếm tiếp theo sẽ dẫn chúng ta tới một hiểu biết sâu hơn về việc vật chất tối là gì.□

Anh Vũ lược dịch

Nguồn: https://www.scientificamerican.com/article/dark-matter-hunters-may-never-find-the-universes-missing-mass/

Bài đăng Tia Sáng số 19/2024