Một chất vô hình thấm vào vũ trụ, làm thay đổi đường đi của các ngôi sao và thiên hà.
Cái gọi là vật chất tối này tạo ra lực hấp dẫn, nhưng không bao giờ tương tác với ánh sáng. Không ai biết nó được làm từ gì và cho đến giờ vẫn không thể phát hiện ra. Nhưng một lý thuyết mới cuối cùng có thể cung cấp một cách để kiểm tra vật chất tối.
Vật chất tối có thể được tạo thành từ một nửa nam châm kỳ lạ, các nhà vật lý lý thuyết từ Đại học California, Davis, cho biết trong một bài thuyết trình vào ngày 6 tháng 6 tại hội nghị Planck 2019 ở Granada, Tây Ban Nha. Và bằng cách bật một kính hiển vi điện tử thực sự mạnh mẽ (chưa từng có), cuối cùng chúng ta có thể phát hiện ra chúng.
Nhưng không phải tất cả các nhà vật lý đều bị thuyết phục.
"Tôi nghĩ nó gọn gàng, nhưng không hứa hẹn lắm", Sabine Hossenfelder, một nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu nâng cao Frankfurt, người không tham gia nghiên cứu cho biết. "Có vô số hạt bạn có thể phát minh ra có thể tạo thành vật chất tối." Đây chỉ là một trong số họ, cô nói thêm.
"Đối với mỗi hạt này, bạn có thể thực hiện nhiều phép tính, xuất bản các bài báo và nghĩ ra các thí nghiệm, sau đó bạn có thể cố gắng để có được tài trợ," cô nói. "Nếu bạn thực sự may mắn, ai đó sẽ thực hiện thí nghiệm của bạn - lúc đó sẽ không tìm thấy gì."
Cuộc tìm kiếm vật chất tối
Mặc dù các lý thuyết dự đoán vật chất tối tồn tại, chúng ta không biết thực sự nó trông như thế nào hoặc nó được làm từ gì. Trong một thời gian, có "một câu chuyện hay" rằng vật chất tối được tạo thành từ một con thú nhút nhát, nhút nhát của một hạt được gọi là Hạt tương tác yếu, hay WIMP, đồng tác giả của nghiên cứu mới, John Terning, một giáo sư vật lý tại Đại học California, Davis.
Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã tìm kiếm những hạt chậm, không tính phí này bằng cách sử dụng máy gia tốc hạt mạnh mẽ. Nhưng khi thời gian trôi qua, các nhà vật lý đã loại trừ ngày càng nhiều ứng cử viên WIMP - và ý tưởng phổ biến đã mất đi lực kéo. Mặc dù không loại trừ hoàn toàn, "trong 10 năm qua, mọi người đã suy nghĩ về các khả năng khác ngoài WIMP," Terning nói.
Một giả thuyết khác cho rằng vật chất tối thực sự được tạo thành từ các hạt ánh sáng, hoặc photon.
"Ngoài các photon thông thường mà chúng ta có thể nhìn thấy, có thể có một số photon mà chúng ta không thể nhìn thấy", Terning nói. Những cái gọi là "photon tối" này là các hạt giả thuyết có khối lượng, nhưng nhẹ hơn electron. Các photon tối sẽ tương tác - mặc dù khá yếu - với các photon thông thường.
Trong nghiên cứu mới này, Terning và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Christopher Verhaaren đã xây dựng trên lý thuyết này, đề xuất rằng vật chất tối cũng có thể được tạo thành từ một nửa nam châm tối. Các nam châm nửa giả thuyết này sẽ là phiên bản tối của các đơn cực hoặc nam châm tìm kiếm dài chỉ có một cực duy nhất, nhà vật lý Paul Dirac lần đầu tiên đề xuất vào những năm 1930. (Mặc dù đã có nhiều thập kỷ săn bắn, nhưng không ai tìm thấy bằng chứng nào cho chúng trong tự nhiên cả.)
Dirac không chỉ đề xuất đơn cực; ông cũng đề xuất rằng một electron di chuyển xung quanh một đơn cực sẽ bị ảnh hưởng bởi từ trường của nó. Vì vậy, nếu lý thuyết của Terning và Verhaaren là đúng, và các phiên bản tối của những nam châm nửa này ẩn nấp ở đâu đó trong vũ trụ - và nếu những nam châm nửa tối đó hoạt động giống như đơn cực của Dirac - thì chúng cũng sẽ để lại manh mối tinh tế trên đường đi của các electron.
Nếu các đơn cực tối tồn tại, chúng sẽ phát ra các photon tối có thể biến đổi thành các photon thông thường trước khi bị các electron hấp thụ, Terning nói. Sự tương tác này sẽ khiến các electron quay hoặc thay đổi quá trình chỉ một chút xíu, tạo ra một kiểu giao thoa gọi là hiệu ứng Aharonov - Bohm. (Các electron không chỉ là các hạt, chúng cũng là sóng và mô hình giao thoa là thứ xuất hiện khi các đỉnh và thung lũng trong "phương trình sóng" của electron cộng lại hoặc triệt tiêu lẫn nhau, tạo ra một chuỗi ánh sáng song song và vạch tối.) Terning và Verhaaren đề xuất rằng họ có thể phát hiện ra sự thay đổi rất nhỏ này trong các mẫu giao thoa electron bằng kính hiển vi điện tử.
Vui mừng bởi mặt trời
Nếu vật chất tối tồn tại, nó ở trong chúng ta và xung quanh chúng ta - bao gồm cả trong và xung quanh bất kỳ kính hiển vi chùm tia điện tử nào chúng ta sẽ sử dụng để phát hiện nó. Nhưng để phát hiện vật chất tối thông qua sự nhiễu loạn của các electron, nửa nam châm kỳ lạ tạo nên vật chất tối sẽ cần phải có từ trường đủ mạnh. Điều đó có nghĩa là những nam châm nửa này sẽ cần phải có nhiều năng lượng.
Các đơn cực đi qua gần mặt trời có thể trở nên phấn khích, thu được nhiều năng lượng hơn và sau đó tìm đường xuống Trái đất, Terning nói. Ông dự đoán rằng khoảng năm trong số các đơn cực kích thích này mỗi ngày sẽ đi qua một cái gì đó có kích thước bằng kính hiển vi chùm tia điện tử được đề xuất của chúng. "Điều đó không tệ vì các máy dò WIMP thông thường sẽ rất vui nếu họ có năm sự kiện mỗi năm," ông nói.
Ngoài ra, sự thay đổi pha điện tử gây ra bởi một nửa nam châm tối sẽ rất nhỏ đến mức, để phát hiện ra nó, chúng ta cần kính hiển vi chùm tia điện tử có độ phân giải cực cao - những cái hiện đang tồn tại có lẽ không đủ mạnh . Kính hiển vi điện tử này sẽ cần phải có độ phân giải lớn hơn năm lần so với các kính hiển vi hiện có, Terning nói.
Trong mọi trường hợp, chúng tôi hy vọng sẽ "khiến những người này có kính hiển vi điện tử siêu lạ mắt quan tâm đến việc tìm kiếm thứ này" hoặc chúng tôi "có thể phải chế tạo một người khác chỉ để ngồi và chờ đợi vật chất tối", Terning nói.
Các lý thuyết cạnh tranh khác nhau về vật chất tối sẽ cho chúng ta những câu chuyện hoàn toàn khác nhau về cách thức vũ trụ sơ khai hình thành, ông nói. Hơn nữa, một khi bạn tìm ra vật chất tối thực sự được tạo ra từ đâu - dù là hạt nhẹ hay nặng - mọi người có thể hình dung ra được các nhà máy vật chất tối, thuộc loại, ở đây trên Trái đất. "Nếu trời rất sáng, bạn không cần nhiều năng lượng để tạo ra vật chất tối của riêng mình."
Các nhà khoa học đã công bố nghiên cứu của họ lên tạp chí in sẵn arXiv. Nó vẫn chưa được đánh giá ngang hàng.
