Tìm vật chất tối với vật chất siêu lạnh trong vũ trụ
Các nhà khoa học xác định vật chất tối chiếm khoảng 80% khối lượng trong vũ trụ. Chỉ có thể được nhận biết được vật chất tối thông qua lực hấp dẫn bởi nó không tương tác với ánh sáng và cũng không thấy qua kính viễn vọng. Những hiểu biết hiện thời về vũ trụ và vật lý hạt nhân đề xuất vật chất tối có thể được hình thành từ các axion, những hạt tồn tại trên giả thuyết với các đặc tính đối xứng khác thường.
Trong bài báo mới được xuất bản trên Physical Review Letters “Bose-Einstein Condensate Comagnetometer”, các nhà nghiên cứu do giáo sư Morgan W. Mitchell đã nêu cách tìm kiếm các hạt axion bằng việc sử dụng các đặc tính độc đáo của các ngưng tụ Bose-Einstein (BECs).
Nếu tồn tại thì hạt axion có thể chỉ dấu cho “các lực phụ thuộc spin lạ”. Từ tính, lực phụ thuộc spin được biết đến nhiều nhất, là nguyên nhân khiến các hạt electron hướng spin của chúng dọc theo từ trường, giống như một mũi kim luôn chỉ về hướng bắc. Các hạt photon ảo mang từ tính, trong khi các axinon ảo có thể mang các lực phụ thuộc spin “lạ” (hoặc các hạt như axion). Các lực này có thể tác động đến cả các electron lẫn hạt nhân, và có thể tạo ra không chỉ từ từ trường mà còn từ vật chất thường. Để biết liệu các axion có tồn tại hay không, có một cách để tìm hiểu là hạt nhân có xu hướng thích hướng theo vật chất khác hay không.
Hầu hết các thực nghiệm đang được tiến hành đều tìm kiếm các lực như thế này, sử dụng các “từ kế”, vốn là các cảm biến từ được xếp thành cặp tại cùng một điểm. Bằng việc so sánh tín hiệu của hai cảm biến, hiệu ứng của từ trường thông thường có thể bị loại ra, chỉ để lại hiệu ứng của lực mới. Vì vậy, các từ kế chỉ có khả năng thấy các lực phụ thuộc spin có phạm vi 1 mét hoặc lớn hơn. Do đó cần phải có một từ kế nhỏ hơn để tìm các lực phụ thuộc spin có phạm vi ngắn.
Các ngưng tụ Bose Einstein (BECs) là trạng thái các khí được làm lạnh đến gần độ không tuyệt đối. Bởi vì BECs là siêu lỏng, các nguyên tử cấu tạo chúng tự do quay trong nhiều giây mà không gặp phải ma sát, khiến chúng nhạy cảm một cách khác thường với cả từ trường lẫn lực “lạ”. Do một BEC chỉ có kích thước nhỏ khoảng 10 micro mét nên để tạo ra một từ kế BEC phải đòi hỏi giải quyết một vấn đề phức tạp: làm thế nào đặt được hai từ kế BEC cùng kích thước vào một điểm.
Trong nghiên cứu này, Gomez và đồng nghiệp của ông đã nêu việc họ đã có thể giải quyết vấn đề này bằng việc sử dụng hai trạng thái bên trong khác biệt của BEC 87Rb, mỗi chiếc đóng vai trò như một từ kế riêng rẽ nhưng lại được đặt cùng chỗ. Các kết quả của thực nghiệm đã xác nhận sự miễn nhiễm ở mức cao đã được dự đoán với nhiễu từ từ trường thông thường và năng lực tìm kiếm các lực “lạ” với phạm vi ngắn hơn nhiều so với những thí nghiệm đã thực hiện trước đây. Bên cạnh việc tìm kiếm các hạt axion, kỹ thuật này có thể cải thiện sự chính xác của các phép đo vật lý về va chạm giữa các chất siêu lạnh và những nghiên cứu về các tính tương quan lượng tử trong các BEC.
Tô Vân dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2020-05-dark-universe-coldest-material.html
