Truy tìm hạt axion, ứng viên vật chất tối
Liên quan giả định đến hai vấn đề lớn trong vật lý là vi phạm chẵn lẻ và vật chất tối, hạt axion vẫn đang là một bí ẩn của vũ trụ được các nhà vật lý đi tìm câu trả lời.
Hai nhà vật lý Peccei-Quinn đã nêu giả định về sự xuất hiện hạt axion năm 1977. Nguồn: quanta
Trong lý thuyết đề xuất năm 1977, hai nhà vật lý Peccei-Quinn đã nêu giả định về sự xuất hiện hạt axion, một dạng hạt cơ bản, nhằm giải quyết bài toán vi phạm điện tích chẵn lẻ (Charge-Parity CP) trong tương tác mạnh sắc động học lượng tử (Quantum chromodynamics QCD). Nếu axion có khối lượng nhỏ thì axion có hy vọng là ứng viên của vật chất tối.
Vậy hạt axion là gì mà lại có vai trò quan trọng đến vậy? Hạt phỏng thuyết axion (A0) có những đặc trưng cơ bản như spin và điện tích đều bằng không, khối lượng từ 10−5 đến 10−3 eV/c2, độ rộng phân rã (decay width) là 109 đến 1012 GeV/c2. Theo đề xuất của Roberto Peccei và Helen Quinn thì axion là một hạt giả vô hướng có tương tác hấp dẫn và điện từ.
Đến đây có tiếp những câu hỏi được đặt ra “vì sao đây là loại hạt được nhiều nhà vật lý truy tìm?”, “nó có mối liên quan gì đến vật chất tối (Dark Matter) của vũ trụ”? mà người ta lại cho rằng nó là ứng cử viên của vật chất tối? Thực ra hạt axion là một hạt phỏng thuyết xuất hiện trong Mô hình Chuẩn các hạt cơ bản (Standard Model – SM) được mở rộng dưới một cơ chế vẫn được các nhà vật lý hạt gọi là cơ chế Peccei-Quinn.
Cơ chế này được đưa vào Mô hình Chuẩn năm 1997 để giải thích một bài toán của nó, đó là bài toán vi phạm điện tích chẵn lẻ trong tương tác mạnh (the strong – CP problem). Đây là một vấn đề thú vị của vật lý hạt. Trong biến đổi vi phạm chẵn lẻ, người ta thay một hạt bằng phản hạt (charge conjugation hay C symmetry) đồng thời làm nghịch đảo tọa độ không gian (parity, “mirror” hay P symmetry).
Bài toán vi phạm chẵn lẻ mạnh được phát biểu như sau: Hãy tìm lý do vì sao sắc động học lượng tử lại bảo toàn biến đổi vi phạm chẵn lẻ. Sắc động học lượng tử là lý thuyết tương tác mạnh.
Trong lagangian sắc động học lượng tử chứa một thông số gọi là θ (theta), thông số này làm cho vi phạm chẵn lẻ bị phá vỡ:
Vấn đề là phải đưa vào lý thuyết cơ chế làm cho thông số θ → 0 lúc này sắc động học lượng tử sẽ bảo toàn biến đổi chẵn lẻ.
Hai nhà vật lý Peccei và Quinn đã giải quyết như sau: xem thông số theta là một trường có đối xứng U(1) (đối xứng UPQ) và đối xứng này sẽ bị phá vỡ tự phát. Do đó, nó sẽ dẫn đến sự xuất hiện hạt Goldstone có tên là axion.
Hạt axion dao động quanh cực tiểu như một hòn bi quanh vành mũ Mexico và cực tiểu của lực thế (potential force) buộc trung bình số θ → tiến đến 0 vậy bài toán vi phạm chẵn lẻ của sắc động học lượng tử được giải quyết nhờ cơ chế Peccei-Quinn.
Hình 4. Giản đồ Feynmann biểu diễn quá trình hạt axion (đường lấm chấm) biến thành một photon (đường sóng)khi có mặt trường điện từ (đường sóng đi về phía dưới).
Trong vòng đời lớn hơn tuổi của vũ trụ, một axion có thể phân rã thành hai photon. Nó liên quan giả định đến hai vấn đề lớn trong vật lý là vi phạm chẵn lẻ và vật chất tối.
Hạt axion và vật chất tối
Từ trước các nhà vật lý xem ứng viên vật chất tối là các hạt nặng tương tác yếu (Weakly Interacting Massive Particle WIMPS). Về bản chất, hạt này có khối lượng và tương tác yếu với vật chất thông thường, xuất phát từ siêu đối xứng. Cho đến nay, người ta vẫn chưa thấy dấu vết của chúng.
Theo thời gian, hiện các nhà vật lý lại nghiêng sự chú trọng vào hạt axion (La cote de l’axion monte – độ nghiêng về axion tăng lên) và gần đây có nhiều nhà vật lý cho rằng hạt axion có thể là thành phần của vật chất tối.
Hạt axion là một hạt trung hòa và có khối lượng nhỏ (song vẫn có khối lượng), không tương tác với vật chất thông thường. Có thể xem hạt axion như là một loại photon lạ. Nếu hạt axion tồn tại thì nó có thể biến thành photon (và ngược lại) khi có mặt trường điện từ. Đây là tính chất quan trong sử dụng trong các thí nghiệm truy tìm axion.
Số lượng axion có thể là rất lớn ngay sau Big Bang và tồn tại đến bây giờ và có thể là thành phần vật chất tối. Như vậy cùng với hạt WIMPs, hạt axion có thể tham gia vào việc cấu thành vật chất tối.
Hình 1. Các dữ liệu về khối lượng hạt axion.
Trên hình 1 là kết quả dự đoán trong quá trình nghiên cứu khối lượng của axion theo các mô hình khác nhau, ta có hệ số (hằng số) tương tác của axion với photon như hàm của khối lượng axion. Vùng chéo màu vàng ứng với các điều kiện để axion là ứng viên tốt của vật chất tối. Nếu khối lượng axion quá bé thì quá nhiều axion được tạo nên trong thời Big Bang và chúng ta có quá nhiều vật chất tối (vùng gách chéo đỏ). Thí nghiệm ADXM cho kết quả ở vùng màu xanh nhạt sau vùng gạch chéo đỏ. Vật chất trong vũ trụ được phân bố như trong hình 2.
Hình 2
1. Hạt WIMP cũng được giả định là thành phần của vật chất tối, song đến nay người ta vẫn không tìm ra dấu vết.
2. Nhẹ hơn WIMPS nhiều có hạt axion với số lượng lớn hiện nay được cho là thành phần của vật chất tối.
3. Tiếp theo đây là loại neutrino thứ tư gọi là neutrino không hoạt tính (neutrino sterile) loại neutrino này tương tác rất yếu với vật chất thông thường.
4. Một số lỗ đen với khối lượng nhỏ (vài lần khối lượng mặt trời) cũng là một ứng viên cho thành phần vật chất tối.
5. Các nhà vật lý còn nghiên cứu các khả năng khác: tồn tại những hạt với tương tác cơ bản mới và những “nguyên tử” vật chất tối. Các nguyên tử này được xem là những “đồng dạng” tối của proton.
Các thí nghiệm về axion
Hiện nay các nhà vật lý đang tiến hành thí nghiệm có tên là Thí nghiệm Axion vật chất tối (Axion Dark Matter eXperi-ment ADMX). Theo ý tưởng của Pierre Sivikie, giáo sư vật lý trường Đại học Florida, người ta đã dùng một khoang hình trụ trống để bắt giữ axion. Một từ trường mạnh sẽ buộc các axion biến thành photon mà chúng ta dễ ghi được (xem hình 3).
Hình 3. Nguyên lý thực nghiệm để phát hiện axion.
Trong năm 1998, các nhà vật lý trên thí nghiệm ADMX đã công bố những kết quả ban đầu mà họ cho rằng thích hợp với kịch bản axion là ứng viên vật chất tối. Ý tưởng của thí nghiệm ADMX (xem hình 3).
Người ta còn có hai mô hình được các nhóm vật lý Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov (KSVZ) và Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky (DFSZ) đưa ra. Các mô hình này khác nhau vì tương tác với vật chất thông thường là yếu hơn hoặc mạnh hơn.
Ghi đo hạt axion
Nhờ tính chất biến thành photon trong điện từ trường mà hạt axion có thể ghi đo được nhờ những khối từ lớn (magnet). Những loại thí nghiệm như thế được tiến hành do nhóm ALPS tại DESY, hoặc OSQAR tại CERN, ADMX tại Washington).
Trong thí nghiệm IAXO (International Axion Observatory) người ta sử dụng một nam châm siêu dẫn. IAXO đã trở thành một công cụ hữu hiệu để tìm ra axion.
Hình 5. IAXO
Một công cụ khác để truy tìm hạt axion là axion helioscope (CAST-CERN Axion solar telescope) nhằm mục đích tìm axion từ Mặt trời.
Hiện nay các nhà vật lý đang phát huy công sức để truy tìm trước hết là sự tồn tại của hạt axion và tiếp theo là giải quyết câu hỏi axion vốn là một hạt trong phạm vi tương tác mạnh có thể là thành phần quan trọng của DM hay không? Theo hình 1 chúng ta thấy rằng khối lượng axion vào khoảng vài microelectronvolt theo mô hình ADMX. Chắc rằng, cần nhiều thí nghiệm nữa để chính xác hóa kết quả. Các nhà vật lý hy vọng rằng, các lý thuyết và thực nghiệm về axion góp phần giải quyết hai vấn đề lớn là bài toán vi phạm chẵn lẻ và vật chất tối. □
—–
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Leslie Rosenberg, Matière noire, La cote de l’axion monte
Pour la Science No490, tháng 8/2018.
[2] Wikipedia, axion
https://en.wikipedia.org/wiki/Axion
