Máy nghiền nguyên tử lớn nhất thế giới có thể đang mất dần vật chất tối. Nhưng các nhà vật lý đang có được một bức tranh rõ ràng hơn về vật chất tối bị mất có thể trông như thế nào - nếu nó còn tồn tại.
ATLAS, máy phát hiện các hạt rất lớn tại Máy va chạm Hadron Lớn (LHC) có trụ sở tại Geneva, nổi tiếng với việc phát hiện ra hạt Higgs trở lại vào năm 2012. Bây giờ, nó đã chuyển sang săn lùng các hạt thậm chí kỳ lạ hơn - bao gồm cả "siêu đối xứng lý thuyết" "Các hạt hoặc các hạt đối tác với tất cả các hạt đã biết trong vũ trụ.
Nếu siêu đối xứng là có thật, một số hạt trong số đó có thể giải thích vật chất tối không nhìn thấy được lan rộng trong vũ trụ của chúng ta. Bây giờ, một cặp kết quả được trình bày tại một hội nghị tập trung vào ATLAS vào tháng 3 đã đưa ra mô tả chính xác nhất về những hạt giả định đó sẽ trông như thế nào.
Vấn đề vô hình
Hãy sao lưu.
Vật chất tối là thứ vô hình có thể tạo nên phần lớn vũ trụ. Có một số lý do để nghi ngờ nó tồn tại, mặc dù không ai có thể nhìn thấy nó. Nhưng đây là điều rõ ràng nhất: Thiên hà tồn tại.
Nhìn xung quanh vũ trụ của chúng ta, các nhà nghiên cứu có thể thấy rằng các thiên hà dường như không đủ lớn để liên kết với nhau bằng lực hấp dẫn của các ngôi sao nhìn thấy được và các vật chất thông thường khác. Nếu những thứ chúng ta có thể nhìn thấy là có tất cả, những thiên hà đó sẽ trôi đi. Điều đó cho thấy một số vật chất tối không nhìn thấy được tập hợp trong các thiên hà và giữ chúng cùng với trọng lực của nó.
Nhưng không có hạt nào được biết có thể giải thích mạng lưới vũ trụ của các thiên hà. Vì vậy, hầu hết các nhà vật lý cho rằng có một thứ khác ngoài kia, một số loại hạt (hoặc hạt) mà chúng ta chưa từng thấy, đó là tạo nên tất cả những vật chất tối đó.
Các nhà vật lý thực nghiệm đã chế tạo nhiều máy dò để săn chúng.
Những thí nghiệm này hoạt động theo những cách khác nhau, nhưng về bản chất, rất nhiều để đặt một khối lớn các thứ trong một căn phòng rất tối và xem nó rất cẩn thận. Cuối cùng, lý thuyết đi, một số hạt vật chất tối sẽ đập vào khối lớn của vật chất và khiến nó lấp lánh. Và tùy thuộc vào bản chất của vật chất và sự lấp lánh, các nhà vật lý sẽ tìm hiểu hạt vật chất tối trông như thế nào.
ATLAS đang thực hiện phương pháp ngược lại, tìm kiếm các hạt vật chất tối ở một trong những nơi sáng nhất trên Trái đất. LHC là một cỗ máy rất lớn, đập các hạt lại với nhau với tốc độ cao không ngờ. Bên dặm của ống là một loại vụ nổ liên tục của các hạt mới hình thành trong những va chạm. Khi ATLAS phát hiện ra boson Higgs, những gì nó nhìn thấy là một bó boson Higgs thực sự được tạo ra bởi LHC.
Một số nhà lý thuyết cho rằng LHC cũng có thể tạo ra các loại hạt vật chất tối cụ thể: các đối tác siêu đối xứng của các hạt đã biết. Từ "siêu đối xứng" dùng để chỉ một lý thuyết rằng nhiều hạt được biết đến trong vật lý đã phát hiện ra các "đối tác" khó phát hiện hơn nhiều. Lý thuyết này chưa được chứng minh, nhưng nếu nó đúng thì nó sẽ đơn giản hóa rất nhiều phương trình lộn xộn hiện đang chi phối vật lý hạt.
Cũng có thể các hạt siêu đối xứng với các thuộc tính phù hợp có thể chiếm một số hoặc tất cả các vật chất tối bị thiếu trong vũ trụ. Và nếu chúng được sản xuất tại LHC, ATLAS sẽ có thể chứng minh điều đó.
Cuộc săn lùng các hạt siêu đối xứng
Nhưng có một vấn đề. Các nhà vật lý ngày càng tin rằng nếu các hạt siêu đối xứng đó được tạo ra tại LHC, chúng sẽ bay ra khỏi máy dò trước khi phân rã. Đó là một vấn đề, như Live Science đã báo cáo trước đây, bởi vì ATLAS không trực tiếp phát hiện các hạt siêu đối xứng kỳ lạ, mà thay vào đó, nhìn thấy các hạt phổ biến hơn mà các hạt siêu đối xứng biến đổi sau khi chúng phân rã ra nếu các hạt siêu đối xứng bắn ra khỏi LHC trước khi phân rã, Mặc dù vậy, ATLAS không thể thấy chữ ký đó. Vì vậy, các nhà nghiên cứu của nó đã đưa ra một giải pháp thay thế sáng tạo: Săn bắn, sử dụng số liệu thống kê từ hàng triệu vụ va chạm hạt trong LHC, để làm bằng chứng cho thấy có điều gì đó còn thiếu.
"Sự hiện diện của chúng chỉ có thể được suy ra thông qua cường độ của động lượng ngang bị thiếu của vụ va chạm", các nhà nghiên cứu cho biết trong một tuyên bố.
Đo chính xác động lượng bị thiếu là nhiệm vụ khó khăn mặc dù.
Các nhà nghiên cứu cho biết: "Trong môi trường dày đặc của nhiều vụ va chạm chồng chéo do LHC tạo ra, có thể khó tách được động cơ thật khỏi giả".
Cho đến nay, cuộc săn lùng đó đã không xuất hiện bất cứ điều gì. Nhưng đó là thông tin hữu ích. Bất cứ khi nào một thí nghiệm vật chất tối cụ thể thất bại, nó cung cấp cho các nhà nghiên cứu thông tin về vật chất tối không giống như thế nào. Các nhà vật lý gọi quá trình thu hẹp này là "kìm hãm" vật chất tối.
Hai kết quả tháng ba, dựa trên cuộc săn tìm thống kê cho động lượng bị thiếu, cho thấy rằng nếu một số ứng cử viên vật chất tối siêu đối xứng nhất định (được gọi là Chargeinos, slepton và quark đáy siêu đối xứng) tồn tại, thì chúng phải có những đặc điểm riêng mà ATLAS chưa loại trừ.
Nếu các mô hình siêu đối xứng hiện tại là chính xác, một cặp điện tích phải có khối lượng ít nhất gấp 447 lần khối lượng của một proton và một cặp slepton phải gấp ít nhất 746 lần khối lượng của một proton.
Tương tự, dựa trên các mô hình hiện tại, quark đáy siêu đối xứng sẽ phải gấp ít nhất 1.545 lần khối lượng của một proton.
ATLAS đã hoàn thành việc săn lùng các loại sạc nhẹ, slepton và quark đáy. Và các nhà nghiên cứu cho biết họ tự tin 95% rằng họ không tồn tại.
Ở một số khía cạnh, việc săn lùng vật chất tối dường như liên tục tạo ra những phát hiện vô giá trị, có thể gây thất vọng. Nhưng những nhà vật lý này vẫn lạc quan.
Những kết quả này, họ nói trong một tuyên bố, "đặt các ràng buộc mạnh mẽ vào các kịch bản siêu đối xứng quan trọng, sẽ hướng dẫn các tìm kiếm ATLAS trong tương lai."
Do đó, ATLAS hiện có một phương pháp mới để săn lùng vật chất tối và siêu đối xứng. Nó chỉ không xảy ra để tìm thấy bất kỳ vật chất tối hoặc siêu đối xứng nào.
