Mô hình vũ trụ tiêu chuẩn cho chúng ta biết rằng chỉ có 4,9% Vũ trụ bao gồm vật chất thông thường (tức là chúng ta có thể thấy), trong khi phần còn lại bao gồm 26,8% vật chất tối và 68,3% năng lượng tối. Như tên gọi, chúng ta không thể nhìn thấy chúng, vì vậy sự tồn tại của chúng phải được suy luận dựa trên các mô hình lý thuyết, quan sát cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ và các hiệu ứng hấp dẫn rõ ràng của nó đối với vật chất nhìn thấy được.
Kể từ lần đầu tiên được đề xuất, đã không thiếu những gợi ý về việc các hạt Dark Matter trông như thế nào. Cách đây không lâu, nhiều nhà khoa học đã đề xuất rằng Dark Matter bao gồm các hạt khối tương tác yếu (WIMP), có khối lượng gấp 100 lần khối lượng của một proton nhưng tương tác như neutrino. Tuy nhiên, tất cả các nỗ lực tìm kiếm WIMP bằng các thí nghiệm máy va chạm đã trở nên trống rỗng. Như vậy, các nhà khoa học đã khám phá ý tưởng gần đây rằng vật chất tối có thể bao gồm một thứ hoàn toàn khác.
Các mô hình vũ trụ hiện nay có xu hướng cho rằng khối lượng vật chất tối là khoảng 100 Gev (Giga-electrovolts), tương ứng với quy mô khối lượng của rất nhiều hạt khác tương tác thông qua lực hạt nhân yếu. Sự tồn tại của một hạt như vậy sẽ phù hợp với các phần mở rộng siêu đối xứng của Mô hình chuẩn của vật lý hạt. Người ta tin rằng các hạt như vậy sẽ được tạo ra trong Vũ trụ nóng, dày đặc, với mật độ khối lượng vật chất vẫn còn phù hợp cho đến ngày nay.
Tuy nhiên, những nỗ lực thử nghiệm liên tục để phát hiện WIMP đã không tạo ra bất kỳ bằng chứng cụ thể nào về các hạt này. Chúng bao gồm tìm kiếm các sản phẩm của sự hủy diệt WIMP (tức là tia gamma, neutrino và tia vũ trụ) trong các thiên hà và cụm sao gần đó, cũng như các thí nghiệm phát hiện trực tiếp bằng siêu tụ điện, như Máy va chạm Hadron Cron lớn (LHC) ở Thụy Sĩ.
Bởi vì điều này, nhiều nhóm nghiên cứu đã bắt đầu xem xét việc nhìn xa hơn mô hình của WIMP để tìm Dark Matter. Một nhóm như vậy bao gồm một nhóm các nhà vũ trụ học từ CERN và CP3-Origins ở Đan Mạch, người gần đây đã phát hành một nghiên cứu chỉ ra rằng Dark Matter có thể nặng hơn và ít tương tác hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây.
Như Tiến sĩ McCullen Sandora, một trong những thành viên nhóm nghiên cứu từ CP-3 Origins, đã nói với Tạp chí Không gian qua email:
Tuy nhiên, chúng ta có thể loại trừ kịch bản WIMP, nhưng cứ sau mỗi năm trôi qua, nó càng ngày càng nghi ngờ rằng chúng ta đã nhìn thấy bất cứ điều gì. Ngoài ra, vật lý quy mô yếu thông thường phải chịu vấn đề phân cấp. Đó là, tại sao tất cả các hạt mà chúng ta biết đều rất nhẹ, đặc biệt là đối với quy mô trọng lực tự nhiên, thang đo Planck, khoảng 1019 Địa lý Vì vậy, nếu vật chất tối gần với thang đo Planck, thì nó sẽ bị ảnh hưởng bởi vấn đề phân cấp, và điều này cũng sẽ giải thích lý do tại sao chúng ta đã nhìn thấy các chữ ký liên quan đến WIMP.
Sử dụng một mô hình mới mà họ gọi là Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), nhóm nghiên cứu đã khám phá giới hạn trên của khối lượng vật chất tối. Trong khi các WIMP đặt khối lượng vật chất tối ở giới hạn trên của thang đo điện, nhóm nghiên cứu Đan Mạch của Marthias Garny, McCullen Sandora và Martin S. Sloth đã đề xuất một hạt với khối lượng gần hoàn toàn tự nhiên - Thang đo Planck.
Trên thang đo Planck, một đơn vị khối lượng tương đương với 2,17645 × 10-8 kg - khoảng một microgam, hoặc 1019 lần lớn hơn khối lượng của một proton. Ở khối lượng này, mọi PIDM về cơ bản đều nặng như một hạt trước khi nó trở thành một lỗ đen thu nhỏ. Nhóm nghiên cứu cũng đưa ra giả thuyết rằng các hạt PIDM này chỉ tương tác với vật chất thông thường thông qua lực hấp dẫn và số lượng lớn chúng hình thành trong Vũ trụ rất sớm trong thời kỳ hâm nóng hồi hồi hồi kỷ - một giai đoạn xảy ra vào cuối Kỷ nguyên lạm phát, khoảng 10-36 t0 10-33 hoặc 10-32 vài giây sau Vụ nổ lớn.
Đây là kỷ nguyên được đặt tên như vậy bởi vì, trong thời kỳ Lạm phát, nhiệt độ vũ trụ được cho là đã giảm xuống khoảng 100.000. Khi lạm phát kết thúc, nhiệt độ trở lại nhiệt độ trước lạm phát (ước tính 1027 K). Tại thời điểm này, năng lượng tiềm năng lớn của trường lạm phát đã phân rã thành các hạt Mô hình Chuẩn lấp đầy Vũ trụ, trong đó có cả Vật chất tối.
Đương nhiên, lý thuyết mới này đi kèm với chia sẻ ý nghĩa của nó đối với các nhà vũ trụ học. Ví dụ, để mô hình này hoạt động, nhiệt độ của thời gian hâm nóng sẽ phải cao hơn so với hiện tại. Hơn nữa, một giai đoạn hâm nóng nóng hơn cũng sẽ dẫn đến việc tạo ra các sóng hấp dẫn nguyên thủy hơn, có thể nhìn thấy trong Nền vi sóng vũ trụ (CMB).
Sandora có nhiệt độ cao như vậy cho chúng ta hai điều thú vị về lạm phát, Sandora nói. Nếu một vật chất tối hóa ra là một PIDM: đầu tiên là lạm phát xảy ra ở mức năng lượng rất cao, điều đó có nghĩa là nó có thể tạo ra không chỉ sự dao động về nhiệt độ của vũ trụ sơ khai, mà còn trong chính không thời gian, ở dạng sóng hấp dẫn. Thứ hai, nó cho chúng ta biết rằng năng lượng của lạm phát phải phân rã thành vật chất cực kỳ nhanh chóng, bởi vì nếu mất quá nhiều thời gian, vũ trụ sẽ nguội dần đến mức không thể tạo ra bất kỳ PIDM nào cả.
Sự tồn tại của các sóng hấp dẫn này có thể được xác nhận hoặc loại trừ bằng các nghiên cứu trong tương lai liên quan đến Nền vi sóng vũ trụ (CMB). Đây là một tin tức thú vị, vì phát hiện gần đây về sóng hấp dẫn dự kiến sẽ dẫn đến những nỗ lực đổi mới để phát hiện các sóng nguyên thủy bắt nguồn từ chính sự sáng tạo của Vũ trụ.
Như Sandora giải thích, điều này đưa ra một kịch bản có lợi cho các nhà khoa học, vì điều đó có nghĩa là ứng cử viên mới nhất cho Dark Matter này sẽ có thể được chứng minh hoặc không được chứng minh trong tương lai gần.
Kịch bản của [[]] đưa ra một dự đoán cụ thể: chúng ta sẽ thấy sóng hấp dẫn trong thế hệ tiếp theo của các thí nghiệm vi sóng vũ trụ. Do đó, đây là một kịch bản không thua: nếu chúng ta thấy chúng, điều đó thật tuyệt và nếu chúng ta không nhìn thấy chúng, chúng ta sẽ biết vật chất tối không phải là một PIDM, điều đó có nghĩa là chúng ta biết rằng nó phải có một số tương tác bổ sung với vật chất thông thường. Và tất cả điều này sẽ xảy ra trong vòng một thập kỷ tới hoặc lâu hơn, điều này cho chúng ta nhiều điều để mong đợi.
Kể từ khi Jacobus Kapteyn lần đầu tiên đề xuất sự tồn tại của Dark Matter vào năm 1922, các nhà khoa học đã tìm kiếm một số bằng chứng trực tiếp về sự tồn tại của nó. Và từng người một, các hạt ứng cử viên - từ gravitinos và MachOS đến các trục - đã được đề xuất, cân nhắc và tìm thấy mong muốn. Nếu không có gì khác, thật tốt khi biết rằng sự tồn tại của ứng cử viên hạt mới nhất này có thể được chứng minh hoặc loại trừ trong tương lai gần.
Và nếu được chứng minh là đúng, chúng ta sẽ giải quyết được một trong những bí ẩn vũ trụ vĩ đại nhất mọi thời đại! Một bước gần hơn để thực sự hiểu về Vũ trụ và cách các lực bí ẩn của nó tương tác. Lý thuyết về mọi thứ, ở đây chúng ta đến (hoặc không)!
