Khoảng 80% tất cả các vật chất trong vũ trụ là một dạng hoàn toàn xa lạ với vật lý hiện tại. Chúng tôi gọi đó là vật chất tối, vì tốt nhất chúng tôi có thể nói đó là tối. Các thí nghiệm trên khắp thế giới đang cố gắng bắt giữ một hạt vật chất tối đi lạc với hy vọng hiểu được nó, nhưng cho đến nay chúng đã trở nên trống rỗng.
Gần đây, một nhóm các nhà lý thuyết đã đề xuất một cách mới để săn lùng vật chất tối bằng cách sử dụng các "hạt" kỳ lạ được gọi là nam châm, một cái tên mà tôi không chỉ tạo nên. Những gợn sóng nhỏ bé này có thể thu hút ngay cả một hạt vật chất tối nhẹ, thoáng qua khỏi sự che giấu, những nhà lý thuyết nói.
Câu đố vật chất tối
Chúng tôi biết tất cả mọi thứ về vật chất tối, ngoại trừ đáng chú ý là nó là gì.
Mặc dù chúng ta không thể trực tiếp phát hiện ra nó, chúng ta thấy bằng chứng về vật chất tối ngay khi chúng ta mở kính viễn vọng ra vũ trụ rộng lớn hơn. Sự mặc khải đầu tiên, trở lại vào những năm 1930, thông qua các quan sát các cụm thiên hà, một số cấu trúc lớn nhất trong vũ trụ. Các thiên hà cư ngụ trong chúng chỉ đơn giản là di chuyển quá nhanh để được tổ chức thành một cụm. Đó là bởi vì khối lượng tập thể của các thiên hà tạo ra chất keo hấp dẫn giữ cho cụm sao lại với nhau - khối lượng càng lớn, chất keo đó càng mạnh. Một chất keo siêu mạnh có thể giữ chặt cả những thiên hà di chuyển nhanh nhất. Bất kỳ nhanh hơn và cụm sẽ chỉ đơn giản là tách ra.
Nhưng ở đó, các cụm đã tồn tại, với các thiên hà ù ù xung quanh chúng nhanh hơn nhiều so với khối lượng của cụm. Một cái gì đó có đủ lực hấp dẫn để giữ các cụm lại với nhau, nhưng thứ gì đó không phát ra hoặc tương tác với ánh sáng.
Bí ẩn này vẫn tồn tại chưa được giải quyết trong nhiều thập kỷ, và vào những năm 1970, nhà thiên văn học Vera Rubin đã nâng cao kiến trước một cách lớn thông qua việc quan sát các ngôi sao trong các thiên hà. Một lần nữa, mọi thứ lại chuyển động quá nhanh: Với khối lượng quan sát được của chúng, các thiên hà trong vũ trụ của chúng ta sẽ tự tách ra hàng tỷ năm trước. Một cái gì đó đang giữ chúng lại với nhau. Một cái gì đó không nhìn thấy.
Câu chuyện lặp đi lặp lại tất cả trên vũ trụ, cả về thời gian và không gian. Từ ánh sáng sớm nhất từ Vụ nổ lớn đến các cấu trúc lớn nhất trong vũ trụ, có một thứ gì đó thú vị ở ngoài kia.
Tìm kiếm trong bóng tối
Vì vậy, vật chất tối có rất nhiều - chúng ta không thể tìm thấy bất kỳ giả thuyết khả thi nào khác để giải thích sóng thần dữ liệu hỗ trợ cho sự tồn tại của nó. Nhưng nó là gì? Dự đoán tốt nhất của chúng tôi là vật chất tối là một loại hạt mới, kỳ lạ, chưa được biết đến trong vật lý. Trong bức tranh này, vật chất tối tràn ngập mọi thiên hà. Trên thực tế, phần có thể nhìn thấy của một thiên hà, nhìn qua các ngôi sao và các đám mây khí và bụi, chỉ là một ngọn hải đăng nhỏ đặt trên một bờ biển lớn hơn, tối hơn nhiều. Mỗi thiên hà nằm trong một "vầng hào quang" lớn được tạo thành từ hàng trăm triệu hạt vật chất tối.
Những hạt vật chất tối này đang truyền qua phòng bạn ngay bây giờ. Họ đang truyền phát qua bạn. Một cơn mưa không bao giờ kết thúc là những hạt vật chất tối nhỏ bé, vô hình. Nhưng bạn chỉ đơn giản là không chú ý đến chúng. Chúng không tương tác với ánh sáng hoặc với các hạt tích điện. Bạn được tạo thành từ các hạt tích điện và bạn rất thân thiện với ánh sáng; bạn vô hình trước vật chất tối và vật chất tối là vô hình đối với bạn. Cách duy nhất chúng ta "nhìn thấy" vật chất tối là thông qua lực hấp dẫn; trọng lực chú ý mọi dạng vật chất và năng lượng trong vũ trụ, tối hay không, vì vậy ở quy mô lớn nhất, chúng ta quan sát ảnh hưởng của khối lượng kết hợp của tất cả các hạt này. Nhưng ở đây trong phòng của bạn? Không có gì.
Trừ khi, chúng tôi hy vọng, có một số cách khác mà vật chất tối tương tác với chúng ta là vật chất bình thường. Có thể hạt vật chất tối, dù nó là cái quái gì, cũng cảm thấy lực hạt nhân yếu - chịu trách nhiệm phân rã phóng xạ - mở ra một cửa sổ mới vào cõi ẩn giấu này. Hãy tưởng tượng xây dựng một máy dò khổng lồ, chỉ là một khối lớn của bất kỳ yếu tố nào bạn có. Các hạt vật chất tối chảy qua nó, hầu như tất cả chúng hoàn toàn vô hại. Nhưng đôi khi, hiếm khi phụ thuộc vào mô hình vật chất tối đặc biệt, hạt đi qua tương tác với một trong những hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố trong máy dò thông qua lực hạt nhân yếu, đẩy nó ra khỏi vị trí và tạo ra toàn bộ khối lượng của máy dò run.
Nhập đại lượng
Thiết lập thử nghiệm này chỉ hoạt động nếu hạt vật chất tối tương đối nặng, tạo cho nó đủ sức để loại bỏ hạt nhân trong một trong những tương tác hiếm gặp đó. Nhưng cho đến nay, không có máy dò vật chất tối nào trên toàn cầu đã thấy bất kỳ dấu vết nào của sự tương tác, ngay cả sau nhiều năm và nhiều năm tìm kiếm. Khi các thí nghiệm có mặt bằng, các tính chất cho phép của vật chất tối đã dần bị loại trừ. Đây không hẳn là một điều xấu; chúng ta chỉ đơn giản là không biết vật chất tối được làm từ gì, vì vậy chúng ta càng biết nhiều hơn về những gì nó không, thì bức tranh về những gì nó có thể rõ ràng hơn.
Nhưng việc thiếu kết quả có thể là một chút đáng lo ngại. Các ứng cử viên nặng nhất cho vật chất tối đang bị loại trừ và nếu hạt bí ẩn quá nhẹ, nó sẽ không bao giờ được nhìn thấy trong các máy dò khi chúng được thiết lập ngay bây giờ. Đó là, trừ khi có một cách khác mà vật chất tối có thể nói với vật chất thông thường.
Trong một bài báo gần đây được công bố trên tạp chí trực tuyến arXiv, các nhà vật lý đã nêu chi tiết một thiết lập thí nghiệm được đề xuất có thể phát hiện ra một hạt vật chất tối trong hành động thay đổi spin của electron (trên thực tế, vật chất tối có thể làm được điều đó). Trong thiết lập này, vật chất tối có khả năng được phát hiện, ngay cả khi hạt nghi ngờ rất nhẹ. Nó có thể làm điều này bằng cách tạo ra cái gọi là nam châm trong vật liệu.
Giả sử bạn có một khối vật liệu ở nhiệt độ bằng không tuyệt đối. Tất cả các spin - giống như nam châm thanh nhỏ bé - của tất cả các electron trong vật chất đó sẽ cùng hướng. Khi bạn từ từ tăng nhiệt độ, một số electron sẽ bắt đầu thức dậy, ngọ nguậy và chỉ ngẫu nhiên quay các vòng quay của chúng theo hướng ngược lại. Bạn tăng nhiệt độ càng cao, càng nhiều electron cuộn lên - và mỗi lần lật đó làm giảm cường độ từ tính chỉ một chút. Mỗi vòng quay bị lật cũng gây ra một chút gợn trong năng lượng của vật liệu, và những cái lắc lư đó có thể được xem như là một quasiparticle, không phải là một hạt thực sự, nhưng là thứ bạn có thể mô tả bằng toán học theo cách đó. Những quasiparticles này được gọi là "nam châm", có lẽ bởi vì chúng giống như những nam châm nhỏ bé, dễ thương.
Vì vậy, nếu bạn bắt đầu với một vật liệu thực sự lạnh và đủ các hạt vật chất tối tấn công vật liệu và lật một số vòng quay xung quanh, bạn sẽ quan sát được các nam châm. Do độ nhạy của thí nghiệm và bản chất của các tương tác, thiết lập này có thể phát hiện một hạt vật chất tối nhẹ.
Đó là, nếu nó tồn tại.
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 gianvà tác giả của Vị trí của bạn trong vũ trụ.
