Các nhà vật lý đang săn lùng bàn tay vô hình định hình vũ trụ của chúng ta và các thiên hà bên trong nó đã hướng ánh mắt về phía bóng tối. Cụ thể, một nhóm đang tìm kiếm đằng sau mỗi tảng đá vũ trụ để tìm cái gọi là photon tối, có thể truyền một lực lượng tự nhiên chưa biết trước đó.
Những photon này sẽ làm trung gian cho sự tương tác giữa tất cả vật chất bình thường và vật chất vô hình gọi là vật chất tối.
Nhưng các nhà khoa học từ lâu đã hiểu rằng thiên nhiên bị kéo dài và kéo và làm nhòe và xé nát bởi bốn lực lượng đã biết, vậy làm thế nào một lực lượng khác có thể ẩn khỏi chúng ta quá lâu? Bốn lực lượng được biết đến này tạo nên nền tảng cho sự tồn tại hàng ngày của chúng ta: lực lượng hạt nhân mạnh mẽ nhưng có tầm bắn ngắn, liên kết các hạt nhân nguyên tử lại với nhau; lực hạt nhân yếu che khuất và thầm lặng, điều khiển sự phân rã phóng xạ và nói chuyện với các hạt hạ nguyên tử gọi là neutrino; lực điện từ táo bạo và sáng, chi phối cuộc sống của chúng ta; và lực hấp dẫn tinh tế, cho đến nay là yếu nhất trong bộ tứ.
Sử dụng bốn lực cơ bản này, các nhà vật lý có thể vẽ một bức chân dung về thế giới hạ nguyên tử và vĩ mô của chúng ta. Không có tương tác nào không liên quan đến một trong bốn nhân vật đó. Tuy nhiên, những bí ẩn vẫn còn rất nhiều về các tương tác trong vũ trụ của chúng ta, đặc biệt là trên quy mô lớn nhất. Khi chúng ta phóng to quy mô của các thiên hà và xa hơn nữa, một thứ gì đó tanh cá xảy ra và chúng ta đặt cho cái cá đó tên của vật chất tối.
Là vật chất tối đơn giản và không được trang bị, hay nó che giấu một loạt các lực chưa biết trước đó trong bộ ly hợp của nó? Giờ đây, một nhóm các nhà vật lý quốc tế, mô tả công việc của họ trực tuyến trên tạp chí in sẵn arXiv, đã sử dụng một bãi chứa dữ liệu từ Large Hadron Collider - máy nghiền nguyên tử lớn nhất thế giới - để tìm kiếm một lực như vậy. Cho đến nay, tìm kiếm của họ đã trở nên trống rỗng - điều này là tốt (loại): Điều đó có nghĩa là các định luật vật lý đã biết của chúng ta vẫn còn giữ. Nhưng chúng ta vẫn không thể giải thích vật chất tối.
Lạc trong bóng tối
Vật chất tối là một dạng giả thuyết của vật chất được cho là chiếm khoảng 80% tổng khối lượng của vũ trụ. Đó là một vấn đề lớn. Chúng tôi không thực sự biết những gì chịu trách nhiệm cho tất cả những thứ vô hình thêm này, nhưng chúng tôi biết nó tồn tại và đầu mối lớn nhất của chúng tôi là trọng lực. Bằng cách kiểm tra chuyển động của các ngôi sao trong các thiên hà và các thiên hà trong các cụm, cùng với sự tiến hóa của các cấu trúc lớn nhất trong vũ trụ, các nhà thiên văn học gần như đã đưa ra kết luận rằng có nhiều thứ hơn mắt thiên hà.
Một cái tên tốt hơn cho vật chất tối có thể là vật chất vô hình. Trong khi chúng ta có thể suy ra nó từ ảnh hưởng của lực hấp dẫn của nó (vì không có gì thoát khỏi con mắt toàn diện của Albert Einstein), vật chất tối đơn giản là không tương tác với ánh sáng. Chúng ta biết điều này bởi vì nếu vật chất tối tương tác với ánh sáng (hoặc ít nhất, nếu nó tương tác với ánh sáng theo cách mà vật chất quen thuộc làm được), thì bây giờ chúng ta đã nhìn thấy chất bí ẩn. Nhưng theo như chúng ta có thể nói, vật chất tối - dù nó là cái quái gì - không hấp thụ ánh sáng, phản xạ ánh sáng, khúc xạ ánh sáng, tán xạ ánh sáng hoặc phát ra ánh sáng. Đối với vật chất tối, ánh sáng chỉ đơn giản là persona non grata; nó thậm chí có thể không tồn tại.
Và do đó, có một cơ hội chắc chắn rằng các quân đoàn của các hạt vật chất tối đang truyền qua cơ thể bạn ngay bây giờ. Khối lượng kết hợp của dòng vô tận đó có thể định hình vận mệnh của các thiên hà thông qua ảnh hưởng của lực hấp dẫn, nhưng nó đi qua vật chất bình thường mà không cần một lời chào. Thô lỗ, tôi biết, nhưng đó là vấn đề tối đối với bạn.
Mang ánh sáng
Vì chúng ta không biết vật chất tối được tạo thành từ cái gì, chúng ta có thể tự do tạo ra tất cả các loại kịch bản, cả trần tục và huyền ảo. Bức tranh đơn giản nhất về vật chất tối nói rằng nó lớn và cơ bản. Vâng, nó chiếm phần lớn khối lượng của vũ trụ, nhưng nó chỉ bao gồm một hạt duy nhất, rất sinh sôi nảy nở, không có gì khác ngoài khối lượng. Điều đó có nghĩa là vật liệu có thể khiến nó được biết đến thông qua trọng lực nhưng mặt khác không bao giờ tương tác thông qua bất kỳ lực nào khác. Chúng ta sẽ không bao giờ, thoáng thấy vật chất tối làm bất cứ điều gì khác.
Các kịch bản huyền ảo vui hơn.
Khi các nhà lý thuyết chán nản, họ nấu những ý tưởng cho vật chất tối có thể là gì, và quan trọng hơn là làm thế nào chúng ta có thể phát hiện ra nó. Cấp độ tiếp theo trên thang điểm của các lý thuyết vật chất tối thú vị nói rằng chất này đôi khi có thể nói chuyện với vật chất bình thường thông qua lực hạt nhân yếu. Ý tưởng đó thúc đẩy các thí nghiệm và phát hiện vật chất tối trên khắp thế giới ngày nay.
Tuy nhiên, kịch bản đó cho rằng vẫn chỉ có bốn lực lượng tự nhiên. Nếu vật chất tối là một loại hạt chưa từng thấy trước đây, thì điều đó hoàn toàn hợp lý để đề xuất (vì chúng ta không biết liệu chúng ta có đúng hay không) rằng nó được đóng gói với một lực tự nhiên chưa biết trước đó - hoặc có thể là một cặp vợ chồng, người biết ? Lực lượng tiềm năng này có thể để vật chất tối chỉ nói chuyện với vật chất tối, hoặc nó có thể đan xen vật chất tối và năng lượng tối (mà chúng ta cũng không hiểu), hoặc nó có thể mở ra một kênh liên lạc mới giữa các khu vực bình thường và tối của vũ trụ của chúng ta .
Sự trỗi dậy của photon tối
Một cổng giao tiếp được đề xuất giữa các cõi sáng và tối là một thứ gọi là photon tối, tương tự như photon (ánh sáng) quen thuộc của lực điện từ. Chúng ta không được nhìn thấy hoặc nếm hoặc ngửi trực tiếp các photon tối, nhưng chúng có thể xen kẽ với thế giới của chúng ta. Trong kịch bản này, vật chất tối phát ra các photon tối, là những hạt tương đối lớn. Điều này có nghĩa là chúng chỉ có hiệu ứng trong một phạm vi ngắn, không giống như các đối tác mang ánh sáng của chúng. Nhưng đôi khi, một photon tối có thể tương tác với một photon thông thường, thay đổi năng lượng và quỹ đạo của nó.
Đây sẽ là một sự kiện rất hiếm; nếu không, chúng ta đã nhận thấy điều gì đó thú vị đang diễn ra với điện từ trường từ lâu.
Vì vậy, ngay cả với các photon tối, chúng ta sẽ không thể nhìn thấy vật chất tối trực tiếp, nhưng chúng ta có thể phát hiện ra sự tồn tại của các photon tối bằng cách kiểm tra các gob tương tác điện từ. Trong một phần rất nhỏ của những con yêu tinh đó, một photon tối có thể "đánh cắp" năng lượng từ một photon thông thường bằng cách tương tác với nó.
Nhưng như tôi đã nói, chúng ta cần những sở thích tương tác. Thực tế là chúng tôi đã chế tạo ra những cỗ máy Khoa học khổng lồ để tạo ra chính xác điều đó, vì vậy chúng tôi rất may mắn.
Trong bài báo arXiv, các nhà vật lý đã báo cáo kết quả của họ sau khi kiểm tra dữ liệu trị giá ba năm từ Super Proton Synchrotron, máy gia tốc hạt lớn thứ hai tại CERN. Đối với thí nghiệm này, các nhà khoa học đã đập vỡ các proton chống lại tương đương hạ nguyên tử của một bức tường gạch và xem xét tất cả các mảnh trong hậu quả.
Trong đống đổ nát, các nhà nghiên cứu tìm thấy các điện tử - rất nhiều trong số chúng. Trong suốt ba năm, các nhà khoa học đã đếm được hơn 20 tỷ electron có năng lượng trên 100 GeV. Do các electron là các hạt tích điện và thích tương tác với nhau, các electron năng lượng cao trong thí nghiệm này cũng sinh ra rất nhiều photon. Nếu các photon tối tồn tại, đôi khi chúng nên tương tác và đánh cắp năng lượng từ một trong những photon thông thường, một hiện tượng sẽ xuất hiện trong thí nghiệm là thiếu ánh sáng.
Việc tìm kiếm các photon tối này trở nên trống rỗng - tất cả các photon bình thường đều có mặt và chiếm - nhưng điều đó không loại trừ hoàn toàn sự tồn tại của các photon tối. Thay vào đó, nó đặt giới hạn cho các thuộc tính cho phép của các hạt này. Nếu chúng tồn tại, chúng sẽ có năng lượng thấp (ít hơn GeV, dựa trên kết quả thí nghiệm) và chỉ hiếm khi tương tác với các photon thông thường.
Tuy nhiên, việc tìm kiếm các photon tối vẫn tiếp tục với các thí nghiệm trong tương lai được đặt ở nhà thậm chí xa hơn về sinh vật được đề xuất này của thế giới hạ nguyên tử.
Đọc thêm: "Tìm kiếm vật chất tối trong sự kiện thiếu năng lượng với NA64"
Paul M. Sutter là một nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio, máy chủ của "Hỏi một người không gian" và "Đài phát thanh không gian, "và tác giả của"Vị trí của bạn trong vũ trụ."
