Vật chất tối nặng như thế nào?

Các nhà khoa học đã tính toán phạm vi khối lượng của vật chất tối – và phạm vi này nhỏ hơn những gì thế giới khoa học vẫn nghĩ.

“Theoretical bounds on dark matter masses”, phát hiện của các nhà nghiên cứu trường đại học Sussex xuất bản trên Physics Letters B —về cơ bản làm hẹp hơn phạm vi của các khối lượng tiềm năng của các hạt vật chất tối và giúp các nhà nghiên cứu tập trung vào việc tìm kiếm trong tương lai. Họ đã sử dụng yếu tố ban đầu là hấp dẫn tương tác với vật chất tối như cách nó tương tác trong thế giới chúng ta có thể quan sát được để xác định các giới hạn trên và giới hạn dưới của khối lượng vật chất tối.

Các kết quả chứng tỏ là vật chất tối không thể là ‘siêu nhẹ’ hoặc ‘siêu nặng’ như một số lý thuyết đã nêu, trừ phi cho đến lúc một lực tương tác nào đó mà nay chưa được phát hiện cũng tác động lên nó.

Nhóm nghiên cứu đã dùng giả định là chỉ có một lực tương tác vào vật chất tối là hấp dẫn, và tính toán ra các hạt vật chất tối phải có một khối lượng giữa 10^-3 eV và 10⁷ eV. Đây là phạm vi hẹp hơn phổ 10^-24 eV—10¹⁹ GeV đã được đề xuất về mặt lý thuyết.

Điều khiến khám phá này trở nên thậm chí nhiều ý nghĩa hơn là ngay cả khi xác định được khối lượng của vật chất tối nằm ở bên ngoài phạm vi do nhóm nghiên cứu Sussex đề xuất, thì nó cũng sẽ chứng tỏ là có một lực thêm vào – cũng như lực hấp dẫn – tương tác lên vật chất tối.

Giáo sư Xavier Calmet của trường Khoa học toán học và vật lý của trường đại học Sussex, nói: “Lần đầu tiên không ai nghĩ rằng việc sử dụng những gì chúng ta biết về hấp dẫn lượng tử như một cách để tính toán phạm vi khối lượng vật chất tối. Chúng tôi ngạc nhiên khi phát hiện ra không ai từng làm như vậy trước đây – cũng như các nhà khoa học sau đó bình duyệt bài báo của chúng tôi cũng ngạc nhiên như vậy.

“Những gì chúng tôi làm là chứng tỏ vật chất tối không phải là ‘siêu nhẹ’ hoặc ‘siêu nặng’ như một số lý thuyết đã đề xuất – trừ phi có một lực thêm vào mà chúng ta còn chưa biết tác động lên nó. Nghiên cứu này sẽ giúp cho các nhà vật lý trong những nghiên cứu tương lai về vật chất tối theo hai cách: tập trung vào khu vực nghiên cứu vật chất tối, và sẽ có tiềm năng giúp tiết lộ thông tin là liệu có hay không một lực bí ẩn còn chưa biết trong vũ trụ này”.

Folkert Kuipers, một nghiên cứu sinh làm việc với giáo sư Calmet, tại trường đại học Sussex, nói: “Là một nghiên cứu sinh, thật tự hào khi có thể thực hiện nghiên cứu về một chủ đề thú vị và có tác động lớn như vậy. Phát hiện của chúng tôi là tin tốt cho các nhà thực nghiệm khi giúp họ tiến gần hơn tới phát hiện về bản chất tự nhiên của vật chất tối”.

Vũ trụ mà chúng ta nhìn thấy – như vũ trụ của chúng ta, các hành tinh và các ngôi sao – chiếm 25% tất cả khối lượng của vũ trụ. 75% còn lại bao gồm vật chất tối. Điều chúng ta mới biết là hấp dẫn tương tác với vật chất tối dựa trên việc tính toán hình dạng của các thiên hà.

Tô Vân tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2021-01-heavy-dark-scientists-radically-narrow.html

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0370269321000083