Chúng ta có thể đã phát hiện ra vật chất tối?
Đó là câu hỏi được đưa ra trong một bài báo mới xuất bản ngày 12 tháng 2 trên Tạp chí Vật lý G. Các tác giả đã phác thảo cách vật chất tối có thể được tạo ra từ một hạt gọi là hexaquark d * (2380), có khả năng được phát hiện vào năm 2014.
Vật chất tối, tạo ra lực hấp dẫn nhưng không phát ra ánh sáng, không phải là thứ mà bất cứ ai từng chạm vào hoặc nhìn thấy. Chúng tôi không biết nó được làm từ gì và vô số tìm kiếm cho các thứ đã bị bỏ trống. Nhưng phần lớn các nhà vật lý cho rằng nó tồn tại. Bằng chứng được dán khắp vũ trụ: Các cụm sao quay nhanh hơn nhiều so với bình thường, sự biến dạng bí ẩn của ánh sáng trên bầu trời đêm và thậm chí các lỗ thủng trong thiên hà của chúng ta bởi một vật va chạm vô hình đến một thứ gì đó ở ngoài kia - chiếm phần lớn về khối lượng của vũ trụ - mà chúng ta chưa hiểu.
Các lý thuyết được nghiên cứu rộng rãi nhất về vật chất tối liên quan đến toàn bộ các lớp hạt chưa từng thấy từ bên ngoài Mô hình vật lý tiêu chuẩn, lý thuyết thống trị mô tả các hạt hạ nguyên tử. Hầu hết trong số này phù hợp với một trong hai loại: các trục nhẹ và WIMP nặng, hoặc các hạt lớn tương tác yếu. Có những lý thuyết khác, kỳ lạ hơn liên quan đến các loài neutrino chưa được phát hiện hoặc một lớp lý thuyết về các lỗ đen siêu nhỏ. Nhưng hiếm khi có ai đề xuất rằng vật chất tối được tạo ra từ một thứ mà chúng ta đã biết tồn tại.
Mikhail Bashkanov và Daniel Watts, các nhà vật lý tại Đại học York ở Anh, đã phá vỡ khuôn mẫu đó, cho rằng hexaquark d * (2380), hay "ngôi sao d", có thể giải thích tất cả các vấn đề còn thiếu.
Quark là các hạt vật lý cơ bản trong Mô hình chuẩn. Ba trong số chúng liên kết với nhau (sử dụng các hạt được gọi là gluon) có thể tạo ra một proton hoặc neutron, các khối xây dựng của các nguyên tử. Sắp xếp chúng theo những cách khác và bạn nhận được các hạt khác nhau, kỳ lạ hơn. Ngôi sao d là một hạt sáu quark tích điện dương mà các nhà nghiên cứu tin rằng đã tồn tại trong một giây trong một thí nghiệm năm 2014 tại Trung tâm nghiên cứu Jülich của Đức. Bởi vì nó rất thoáng qua, phát hiện ngôi sao d đã không được xác nhận tuyệt đối.
Các ngôi sao d cá nhân không thể giải thích vật chất tối vì chúng không tồn tại đủ lâu trước khi phân rã. Tuy nhiên, Bashkanov nói với Live Science, vào đầu lịch sử vũ trụ, các hạt có thể kết tụ lại với nhau theo cách khiến chúng không bị phân rã.
Kịch bản đó xảy ra với neutron. Lấy một neutron ra khỏi hạt nhân, và nó phân rã rất nhanh, nhưng trộn nó với các neutron và proton khác bên trong hạt nhân, và nó trở nên ổn định, Bashkanov nói.
"Hexaquarks hành xử theo cùng một cách chính xác," Bashkanov nói.
Bashkanov và Watts đưa ra giả thuyết rằng các nhóm sao d có thể tạo thành các chất gọi là ngưng tụ Bose-Einstein hay BEC. Trong các thí nghiệm lượng tử, BEC hình thành khi nhiệt độ xuống thấp đến mức các nguyên tử bắt đầu chồng chéo và hòa trộn với nhau, giống như các proton và neutron bên trong các nguyên tử. Đó là một trạng thái của vật chất khác biệt với vật chất rắn.
Đầu tiên trong lịch sử vũ trụ, những BEC đó sẽ bắt được các electron tự do, tạo thành một vật liệu tích điện trung tính. Các nhà vật lý BEC tích điện trung tính, các nhà vật lý đã viết, sẽ hành xử rất giống vật chất tối: vô hình, trượt qua vật chất phát sáng mà không bị va đập mạnh, nhưng vẫn gây ra lực hấp dẫn đáng kể cho vũ trụ xung quanh.
Lý do bạn không ngã qua ghế khi bạn ngồi lên đó là vì các electron của ghế đẩy vào các electron phía sau lưng bạn, tạo ra một rào cản của các điện tích âm từ chối đi qua các đường. Trong điều kiện phù hợp, Bashkanov cho biết, các BEC được tạo thành từ các hexaquark với các electron bị bẫy sẽ không có rào cản như vậy, trượt qua các loại vật chất khác như ma trung tính hoàn toàn.
Những BEC này có thể đã hình thành ngay sau Vụ nổ lớn, khi không gian chuyển từ một biển plasma quark-gluon nóng không có các hạt nguyên tử riêng biệt vào thời kỳ hiện đại của chúng ta với các hạt như proton, neutron và anh em họ. Tại thời điểm khi các hạt nguyên tử cơ bản đó hình thành, các điều kiện hoàn hảo cho các BEC hexaquark kết tủa từ plasma quark-gluon.
"Trước khi chuyển đổi, nhiệt độ quá cao; sau đó, mật độ quá thấp", Bashkanov nói.
Trong giai đoạn chuyển tiếp này, các quark có thể đã đóng băng thành các hạt thông thường, như proton và neutron, hoặc vào các BEC hexaquark mà ngày nay có thể tạo thành vật chất tối, Bashkanov nói. Nếu các hexaquarks BEC này ở ngoài đó, các nhà nghiên cứu đã viết, chúng ta có thể phát hiện ra chúng. Mặc dù BEC tồn tại khá lâu, đôi khi chúng sẽ phân rã quanh Trái đất. Và sự phân rã đó sẽ xuất hiện dưới dạng một chữ ký cụ thể trong các máy dò được thiết kế để phát hiện các tia vũ trụ và xuất hiện như thể nó đến từ mọi hướng cùng một lúc như thể nguồn đó lấp đầy không gian.
Bước tiếp theo, họ đã viết, là tìm kiếm chữ ký đó.
