Khám phá bí ẩn xung quanh vật chất vũ trụ

Vào thời điểm sớm trong lịch sử của vũ trụ, chỉ ngay sau Big Bang, vũ trụ đã được chất đầy một lượng lớn vật chất và phản vật chất – các hạt là những vật chất đối xứng của vật chất nhưng trái dấu. Nhưng sau đó, khi không gian giãn nở, vũ trụ này đã lạnh dần. Ngày nay, vũ trụ ngập tràn các thiên hà và các ngôi sao được hình thành từ vật chất. Vậy phản vật chất đi đâu và vật chất trở nên chiếm ưu thế trong vũ trụ này như thế nào? Nguồn gốc vật chất của vũ trụ tiếp tục là những câu đố thách thức các nhà khoa học.

Các nhà vật lý tại trường đại học California, Riverside, và đại học Thanh Hoa Trung Quốc mới vừa mở ra một con đường mới để chứng minh nguồn gốc vật chất trong vũ trụ bằng việc viện dẫn đến “vành va chạm vũ trụ”.

Máy gia tốc vũ trụ

Các vành va chạm năng lượng cao, như máy gia tốc hạt lớn LHC, đã được thiết kế để tạo ra những hạt cơ bản hạ nguyên tử siêu nặng có thể tiết lộ thứ vật lý mới. Nhưng một số thứ vật lý mới, như giải thích vật chất tối và nguồn gốc của vật chất, có thể bao gồm những hạt siêu nặng, đòi hỏi mức năng lượng cao hơn cả một vành va chạm do con người tạo ra. Vậy hóa ra vũ trụ sớm có thể đóng vai trò như một máy siêu gia tốc.

Yanou Cui, một phó giáo sư vật lý và thiên văn tại UCR, giải thích là điều này được biết rộng rãi là do lạm phát vũ trụ, một kỷ nguyên khi vũ trụ giãn nở tại một tốc độ gia tốc theo hàm mũ, trước Big Bang.

“Lạm phát vũ trụ đem lại một môi trường năng lượng cao, cho phép tạo ra những hạt nặng mới cũng như những tương tác của chúng”, Cui nói. “Vũ trụ lạm phát hành xử như một máy gia tốc vũ trụ, ngoại trừ việc mức năng lượng ở đây lớn gấp 10 tỉ lần mất kỳ máy gia tốc nào do con người tạo ra”.

Theo lời Cui, các cấu trúc vi mô được tạo ra bằng các sự kiện lớn khủng khiếp xảy ra trong lạm phát cũng bị kéo dãn khi vũ trụ giãn nở, dẫn đến kết quả là tạo ra các vùng có mật độ khác nhau trong một vũ trụ khổng lồ khác. Sau đó, các cấu trúc vi mô đó là mầm ươm cho cấu trúc ở quy mô lớn hơn trong vũ trụ chúng ta, ngày nay hiển hiện rõ ràng ở sự phân bố các thiên hà khắp vũ trụ này. Cui giải thích là vật lý hạ nguyên tử mới có thể tiết lộ bằng việc nghiên cứu dấu vết của máy gia tốc vũ trụ trong bối cảnh vũ trụ hôm nay, như các thiên hà và bức xạ nền vũ trụ.

Cui và Zhong-Zhi Xianyu, một trợ lý giáo sư vật lý ở đại học Thanh Hoa, công bố kết quả trên Physical Review Letters, áp dụng dạng vật lý của máy gia tốc vũ trụ này và sử dụng dữ liệu đo đạc chính xác cấu trúc của vũ trụ chúng ta từ những thực nghiệm quan trọng như SPHEREx và chụp cắt lớp dòng 21 cm, bí ẩn của nguồn gốc vật chất vũ trụ có thể được tiết lộ ¹.

“Sự thật là vũ trụ ngày nay của chúng ta đang bị lấn át bởi vật chất còn lại giữa những bí ẩn phức tạp tồn tại quá lâu trong vật lý hiện đại”, Cui nói. “Cần phải có một sự bất cân bằng không dễ phát hiện giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ sớm rồi mới đạt đến mức nổi trội của vật chất trong vũ trụ ngày nay nhưng không thể nhận thấy được trong khung khổ của vật lý cơ bản”.

Cơ chế sinh lepton 

Cui và Xianyu đề xuất kiểm tra leptogenesis (sinh lepton), một cơ chế được biết đến rộng rãi dùng để giải thích nguồn gốc của baryon – những khí và sao có thể nhìn thấy – bất đối xứng trong vũ trụ của chúng ta. Nếu vũ trụ này bắt đầu với một lượng vật chất và phản vật chất cân bằng, chúng có thể hủy nhau thành các bức xạ photon, không để lại gì hết. Kể từ đó vật chất mới vượt trội so với phản vật chất như hiện nay, sự bất đối xứng có thể giải thích cho sự bất cân bằng này.

“Sinh lepton là một trong những cơ chế hấp dẫn nhất tạo ra bất đối xứng vật chất – phản vật chất”, Cui  nói. “Nó bao gồm cả một hạt cơ bản mới, neutrino thuận tay phải. Dù được nghĩ đến từ lâu, tuy nhiên, việc kiểm tra sinh lepton ở bước tiếp theo có lẽ là không thể bởi việc đo khối lượng của hạt neutrino thuận tay phải đòi hỏi máy gia tốc với mức năng lượng cao hơn cả máy gia tốc từng được thiết kế, LHC”.

Công trình mới đề xuất kiểm tra sinh lepton bằng việc giải mã những tính năng chi tiết thống kê chi tiết của sự phân bố theo không gian của các vật thể trong cấu trúc vũ trụ được quan sát ngày nay, tái hiện vật lý vi mô trong lạm phát vũ trụ. Hiệu ứng cỗ máy gia tốc vũ trụ, các nhà nghiên cứu đồng ý là có khả năng tạo ra hạt neutrino thuận tay phải siêu nặng trong kỷ nguyên lạm phát.

“Cụ thể, chúng tôi chứng tỏ các điều kiện cốt yếu để tạo ra bất đối xứng, bao gồm những tương tác và khối lượng của hạt neutrino thuận tay phải, vốn là nhân vật chính của lạm phát, có thể để lại những dấu vết trong thống kê của phân bố theo không gian của những thiên hà hoặc bức xạ nền vi sóng vũ trụ và có thể đo đạc được một cách chính xác”, Cui nói. Các quan sát thiên văn trong những năm đến có thể có tiềm năng dò được các tín hiệu và khám phá ra nguồn gốc vật chất của vũ trụ”.

Thanh Hương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2022-09-unraveling-mystery-cosmic.html

https://news.ucr.edu/articles/2022/09/08/unraveling-mystery-surrounding-cosmic-matter

—————————————

1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.111301