Thí nghiệm phông vi sóng vũ trụ có thể chứng tỏ kết nối giữa lạm phát vũ trụ, vật lý hạt
Vô số dự án nghiên cứu vật lý thiên văn quy mô lớn đã được triển khai cho thập kỷ đến, nhiều dự án trong số đó cũng được gọi là các thí nghiệm phông vi sóng vũ trụ (CMB). Các nỗ lực khoa học trên quy mô lớn hướng đến việc dò và nghiên cứu bức xạ CMB, vốn về cơ bản là bức xạ nhiệt có nguồn gốc từ vũ trụ sớm.
Các nhà nghiên cứu tại Université Catholique de Louvain ở Bỉ mới đây đã chứng tỏ các quan sát CMB sắp tới với vệ tinh LiteBIRD của Nhật Bản hoặc các quan sát CMB giai đoạn 4 (CMB-S4) do Mĩ tài trợ có thể, thông qua việc dò các sóng hấp dẫn nguyên thủy, lần đầu tiên đo đạc sự kết hợp của cái gọi là trường lạm phát với các hạt, với việc cải thiện hơn nữa dữ liệu từ những quan sát quang học hoặc kính thiên văn thế hệ mới được bổ sung.
Bài báo của họ, được xuất bản trên Physical Review Letters, đề xuất đo đạc này có thể giúp phát hiện sự kết nối giữa lạm phát vũ trụ và vật lý hạt 1.
“Một trong những khía cạnh đáng kinh ngạc nhất về Mô hình chuẩn của vật lý hạt là không chỉ miêu tả được mọi hạt cơ bản được tìm thấy trên trái đất theo nghĩa một số đối xứng và vô số con số mà còn các lực mà dường như đủ cho phổ quát để miêu tả được cả những vùng ở khoảng cách xa của vũ trụ và các quá trình xảy ra trong những khoảnh khắc đầu tiên sau Big Bang”, Marco Drewes và Lei Ming, hai tác giả của bài báo, trao đổi với Phys.org.
“Có một câu hỏi tự nhiên về việc chúng ta có thể quay ngược trở lại lịch sử với các lý thuyết của vật lý hạt như thế nào và cái gì chúng ta có thể học hỏi từ vũ trụ sớm thứ vật lý mới nằm ngoài Mô hình chuẩn”.
Nghiên cứu mà Drewes và Ming tham gia được hình thành từ mối quan tâm của họ với sự kết nối giữa vật lý hạt và vũ trụ. Bài báo gần đây của họ được xây dựng từ các nghiên cứu trước đây của Drewes, bắt đầu từ năm 2015, vốn đặt trên nghiên cứu nền tảng cho dự án nghiên cứu sinh của Ming.
Khi thực hiện nghiên cứu này, Lei Ming là nghiên cứu sinh tại UCLouvain và là một thành viên trong nhóm nghiên cứu của Drewes. Kể từ đó, Ming bảo vệ luận văn và bắt đầu làm việc tại SYSU Quảng Châu.
“Người ta vẫn tin là toàn bộ tính đồng nhất của vũ trụ quan sát được là kết quả của một pha giãn nở vũ trụ có gia tốc hay còn gọi là ‘lạm phát vũ trụ’ diễn ra vào khoảng 14 tỉ năm trước”, Drewes và Ming nói. “Tuy nhiên, vẫn chưa rõ cơ chế điều hướng gia tốc này có liên quan với lý thuyết cơ bản về tự nhiên, cụ thể là mô hình chuẩn của vật lý hạt không. Có thể là vấn đề trọng yếu đó được tiết lộ từ dấu vết của ‘sự hâm nóng vũ trụ’ trong CMB”.
Tái hâmnóng vũ trụ là quá trình trong đó vũ trụ sớm chứa đầy plasma nóng, sau đó được làm lạnh đi bằng sự giãn nở lạm phát. Quá trình này cuối cùng hình thành các điều kiện ban đầu cho “Big Bang”, dẫn đến sự hình thành của vũ trụ như chúng ta biết.
Một số nghiên cứu trước đây đã khám phá được triển vọng của sự ràng buộc từ mức nhiệt ban đầu của vũ trụ bằng dữ liệu CMB. Nghiên cứu của Drewes và Ming đã tiến thêm một bước xa hơn, tìm hiểu sự mở rộng của dữ liệu này có thể đem lại những cái nhìn sâu hơn vào sự kết nối giữa CMB và vật lý hạt.
Sự tái hâm nóng được điều hướng bằng những tương tác giữa trường tác động đến lạm phát vũ trụ (ví dụ trường lạm phát) và các hạt khác, và nhạy với hằng số kết hợp cơ bản chi phối cường độ của tương tác (kết hợp lạm phát). Một tương tự với sự kết hợp này bắt nguồn trong vật lý năng lượng cao có thể, ví dụ, là sự tích điện cơ bản chi phối cường độ tương tác giữa điện trường và hạt tích điện.
“Chúng tôi đã chứng tỏ rằng lần đầu tiên, các thực nghiệm như CMB-S4 hay LiteBIRD có thể đo đạc được sự kết hợp này”, Drewes và Ming nói. “Đây là một tham số vật lý vi mô không chỉ định hình sự tiến hóa của vũ trụ chúng ta bằng việc thiết lập nhiệt độ ban đầu của plasma ban sơ trong suốt Big Bang, mà còn có thể nói với chúng ta nhiều điều về sự kết nối giữa các mô hình lạm phát vũ trụ và các lý thuyết vật lý hạt. Công trình của chúng tôi do đó cung cấp thêm một chiều vật lý cho những trường hợp vật lý của các thực nghiệm đó”.
Để mô hình hóa quá trình tái đốt nóng, các nhà nghiên cứu cần sử dụng rất nhiều kỹ thuật của vật lý hạt, cụ thể là lý thuyết trường lượng tử, và cơ học thống kê. Trong các nghiên cứu trước của mình, Drewes và Ming đã có được điều này bằng việc sử dụng một cách tiếp cận mà người ta vẫn gọi là chủ nghĩa hình thức Schwinger-Keldysh.
“Trong các công trình trước nữa, chúng tôi đã sử dụng cái gọi là chủ nghĩa hình thức Schwinger-Keldysh, một phương pháp miêu tả các quá trình lượng tử phi cân bằng trong một môi trường đậm đặc ban đầu được phát triển trong vật lý các chất đậm đặc và sau đó được tổng quát hóa ở vật lý hạt để nhận diện các điều kiện dưới sự kết hợp lạm phát có thể bị giới hạn về nguyên tắc bởi dữ liệu CMB”, Drewes và Ming giải thích.
Trong một phần của nghiên cứu hiện tại, họ đã sử dụng những kết quả đó để xác định liệu các thực nghiệm CMB thế hệ mới trên thực tế có thực hiện được đo đạc này không. Để làm điều đó, họ sử dụng một kỹ thuật từ thống kê Bayes, khai thác độ nhạy của các máy dò tương lai trong việc dò sóng hấp dẫn ban sơ.
“Độ nhạy trong nghiên cứu hiện tại của chúng tôi ban đầu được hướng đến cho độ nhạy của thực nghiệm CMB-S4 hay LiteBIRD trong việc dò sóng hấp dẫn nguyên sơ từ lạm phát vũ trụ”, Drewes và Ming cho biết thêm. “Chúng tôi giờ lên kế hoạch tìm hiểu việc có thêm nhiều thông tin khi đưa thêm nhiều quan sát khác như các phi Gaussianity (một phi Gaussianity là độ chính xác được biến đổi hàm Gauss ước tính bằng những đo lường của một đại lượng vật lý) trong những nhiễu loạn vũ trụ hay của cái gọi là sự vận hành của chỉ mục không gian”.
Về tổng thể, các kết quả phân tích mà nhóm nghiên cứu thực hiện đã thể hiện tiềm năng của các thực nghiệm CMB tương lai để chứng minh sự kết nối giữa lạm phát vũ trụ và vật lý hạt.
Drewes và Ming hy vọng là nghiên cứu của họ sẽ khuyến khích Quỹ Khoa học quốc gia Mỹ (NSF) và những cơ quan tài trợ cho khoa học khác hỗ trợ nghiên cứu về CMB, trong đó có những dự án như dự án tại Nam Cực vào tháng năm vừa qua 2 và có thể tiến thêm một bước tới thực nghiệm CMB-S4.
Thanh Phương tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2024-08-cosmic-microwave-background-probe-inflation.html
———————————————-
1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.031001
2.https://ww2.aip.org/fyi/nsf-delays-cosmic-microwave-background-experiment
