Tiếng thầm từ mặt tối: sóng hấp dẫn có thể tiết lộ gì về vật chất tối?

Nhóm hợp tác NANOGrav gần đây đã bắt được những tín hiệu đầu tiên của các sóng hấp dẫn có tần số rất thấp. Giáo sư Pedro Schwaller và Wolfram Ratzinger phân tích dữ liệu, và nói riêng, xem xét khả năng có thể của việc liệu điều này có thể nêu ra một dạng vật lý mới ngoài Mô hình chuẩn hay không.

Trong bài báo xuất bản trên tạp chí SciPost Physics “Whispers from the dark side: Confronting light new physics with NANOGrav data” (Những tiếng thầm từ khía cạnh tối: Chạm trán ánh sáng của một thứ vật lý mới với dữ liệu NANOGrav), họ đã cho biết tín hiệu này phù hợp với cả một chuyển pha trong vũ trụ sớm và sự hiện diện của một trường các hạt như axion vô cùng nhẹ (ALPs). Hạt axion được coi là ứng cử viên hứa hẹn cho vật chất tối.

Sóng hấp dẫn mở ra một cánh cửa vào vũ trụ sớm. Trong khi bức xạ nền vũ trụ có ở khắp nơi không bộc lộ thông tin về 300.000 năm tuổi đầu tiên của vũ trụ, sóng hấp dẫn có thể đem lại cho chúng ta những cái nhìn sơ khởi về những gì diễn ra trong Big Bang. “Chính xác là thời kỳ ban đầu của vũ trụ sớm vô cùng thú vị với các nhà vật lý hạt”, Pedro Schwaller, giáo sư vật lý lý thuyết tại Trung tâm xuất sắc PRISMA+ tại trường đại học Mainz Johannes Gutenberg (JGU). “Đây là thời điểm khi các hạt sơ cấp như quark và gluon đã có mặt và sau đó kết hợp với nhau để hình thành các khối cơ bản của hạt nhân nguyên tử”.

Điều đặc biệt về sóng hấp dẫn mà nhóm hợp tác NANOGrav lần đầu dò được là chúng có tần số rất thấp 10-8 Hertz, vốn tương đương với xấp xỉ một dao động mỗi năm. Do đó tùy thuộc với bước sóng lớn, để dò được chúng thì bất cứ máy dò nào cũng phải có độ lớn tương đương. Vì một máy dò như thế không thể có trên trái đất, các nhà thiên văn tại NANOGrav sử dụng các pulsar ở khoảng cách xa và những tín hiệu ánh sáng của chúng như những máy dò cực lớn.

Wolfram Ratzinger phác thảo động cơ thúc đẩy công trình nghiên cứu của họ: “Ngay cả khi dữ liệu cung cấp cho chúng tôi gợi ý đầu tiên về sự tồn tại của sóng hấp dẫn tần số thấp thì vẫn rất thú vị đểchúng tôi nghiên cứu về chúng. Bởi vì rất nhiều sóng có thể được tạo ra từ nhiều quá trình khác nhau xuất hiện trong vũ trụ sớm. Giờ đây chúng tôi có thể sử dụng dữ liệu mà chúng tôi có để xác định, sóng hấp dẫn nào đáng được xem xét và cái nào không hoàn toàn phù hợp với dữ liệu này”.

Nhóm hợp tác NANOGrav.

Kết quả là các nhà khoa học ở Mainz đã quyết định có cái nhìn cận cảnh vào hai kịch bản có thể do các sóng hấp dẫn quan sát được: các chuyển pha trong vũ trụ sớm và một trường vật chất tối của các hạt như axion cực nhẹ (ALPs). Các chuyển pha từng xảy ra do nhiệt độ “nồi xúp” vũ trụ nguyên thủy  suy giảm sau Big Bang và kết quả là tạo ra những thăng giáng khối lượng – dẫu sao như vật chất tối thì chúng không được mô tả bởi Mô hình Chuẩn. 

Trên cơ sở dữ liệu hiện có, Pedro Schwaller và Wolfram Ratzinger đã giải thích một cách cẩn trọng phân tích của họ “có thể ít nhiều khả năng là kịch bản chuyển pha trong vũ trụ sớm”. Nói cách khác, hai nhà vật lý này tin rằng sự thật là việc họ có thể tìm ra những khả năng nhất định chỉ với việc dựa vào nguồn dữ liệu giới hạn đã chứng minh sự tiềm năng trong cách tiếp cận của mình. “Công trình của chúng tôi là công trình đầu tiên, nhưng là phát triển quan trọng – trao cho chúng tôi rất nhiều tự tin rằng với lượng dữ liệu chính xác hơn chúng tôi có thể rút ra những kết luận đáng tin cậy về thông điệp mà các sóng hấp dẫn đang gửi cho chúng ta từ vũ trụ sớm”. 

“Hơn nữa”, Pedro Schwaller kết luận, “chúng ta có thể lập tức bắt đầu tóm lấy những đặc trưng chắc chắn của các kịch bản và đưa ra những ràng buộc lên chúng, trong trường hợp của chúng tôi là cường độ chuyển pha và khối lượng của các hạt axion”.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2021-03-dark-side-gravitational-reveal.html

https://scipost.org/10.21468/SciPostPhys.10.2.047

Tác giả

(Visited 5 times, 1 visits today)