Các nhà khoa học vừa đặt ra giới hạn mạnh mẽ nhất từ trước đến nay đối với khối lượng của hạt vật chất tối, nếu như nó thật sự tồn tại trong vũ trụ.
Trong một bài báo số ra ngày 01/12 của tờ Physical Review Letters, phó giáo sư trường Đại học Brown Savvas Koushiappas và nghiên cứu sinh Alex Geringer-Sameth trình bày rằng vật chất tối phải có khối lượng lớn hơn 40 giga electronvolt trong các va chạm vật chất tối liên quan đến những quark nặng. (Khối lượng của các hạt sơ cấp thường được biểu diễn theo electronvolt) Sử dụng dữ liệu đã công bố rộng rãi từ một thiết bị gắn trên Kính thiên văn vũ trụ tia gamma Fermi của NASA và một phương pháp thống kê mới lạ, cặp đôi tác giả Brown đã ràng buộc khối lượng của các hạt vật chất tối bằng cách tính ra tốc độ hủy lẫn nhau của các hạt trong những thiên hà lùn quay xung quanh Dải Ngân hà.
“Cái chúng tôi tìm thấy là nếu khối lượng của một hạt nhỏ hơn 40 GeV thì nó không thể là hạt vật chất tối”, Koushiappas nói.
Các nhà vật lí tại trường Đại học Brown đã nghiên cứu bảy thiên hà lùn, khoanh tròn màu trắng. Các quan sát cho thấy những thiên hà lùn này chứa đầy vật chất tối vì chuyển động sao của chúng không thể giải thích hoàn toàn bởi riêng khối lượng của chúng, khiến chúng là nơi lí tưởng để tìm kiếm các tín hiệu phân hủy vật chất tối. Ảnh: Koushiappas và Geringer-Sameth, Đại học Brown
Các số đo thực nghiệm trên là quan trọng vì chúng làm phát sinh sự ngờ vực về những kết quả mới đây từ các chương trình nghiên cứu vật chất tối báo cáo rằng đã phát hiện ra hạt vật chất khó nắm bắt ấy trong những thí nghiệm dưới lòng đất. Những nhóm hợp tác đó - DAMA/LIBRA, CoGeNT và CRESST – cho biết họ đã tìm thấy vật chất tối với khối lượng từ 7 đến 12 GeV, nhỏ hơn giới hạn xác định bởi các nhà vật lí Brown.
“Nếu như khối lượng của hạt vật chất tối là nhỏ hơn 40 GeV, thì có nghĩa là lượng vật chất tối trong vũ trụ ngày nay sẽ nhiều đến mức vũ trụ sẽ không giãn nở ở tốc độ ngày một nhanh mà chúng ta thấy”, Koushiappas nói. Ông muốn nhắc tới Giải Nobel Vật lí năm 2011 đã trao cho khám phá rằng sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc.
Một cách độc lập, nhóm hợp tác Fermi-LAT đã đi tới những kết quả tương tự, sử dụng một phương pháp luận khác. Các bài báo của nhóm Brown và nhóm Fermi sẽ cùng công bố trên một số ra của tạp chí Physical Review Letters.
Các nhà vật lí tin rằng những thứ có thể nhìn thấy – các hành tinh, sao, thiên hà, và mọi thứ khác – chỉ chiếm 4% vũ trụ. Các quan sát cho thấy vật chất tối chiếm khoảng 23% vũ trụ, trong khi phần còn lại là WIMP), khiến người ta rất khó nghiên cứu nó.
Cái các nhà vật lí thật sự biết là khi một WIMP và một phản hạt của nó va chạm trong một quá trình gọi là sự hủy cặp, thì sản phẩm sinh ra gồm những quark nặng và lepton. Các nhà vật lí còn biết rằng khi một quark và một phản quark của nó hủy nhau, chúng tạo ra một dòng hạt gồm các photon, hay ánh sáng.
Koushiappas và Geringer-Sameth thực ra đã đảo ngược chuỗi phản ứng phân hủy. Họ chú ý vào bảy thiên hà lùn mà các quan sát cho thấy có chứa đầy vật chất tối vì chuyển động sao của chúng không thể giải thích hoàn toàn bằng riêng khối lượng của chúng. Những thiên hà lùn này còn bị tước mất phần lớn chất khí hydrogen và vật chất thông thường khác, nghĩa là chúng mang lại một căn lều trống để quan sát tốt hơn vật chất tối và các hiệu ứng của nó. “Có một tỉ số tín-hiệu-trên-nhiễu cao. Chúng là những hệ thống rõ ràng”, Koushiappas nói.
Cặp đôi tác giả đã phân tích dữ liệu tia gamma thu thập trong hơn ba năm qua bởi kính thiên văn Fermi để đo số lượng photon trong những thiên hà lùn đó. Từ số lượng photon, các nhà nghiên cứu Brown đã có thể xác định tốc độ sinh quark, thành ra cho phép họ thiết lập những ràng buộc đối với khối lượng của những hạt vật chất tối và tốc độ mà chúng phân hủy.
Geringer-Sameth đã phát triển một khuôn khổ thống kê để phân tích số liệu và sau đó áp dụng nó cho các quan sát thiên hà lùn. “Đây là thời khắc rất hào hứng trong cuộc tìm kiếm vật chất tối, vì nhiều công cụ thực nghiệm cuối cùng đã bắt kịp với các lí thuyết đứng vững lâu ngày về vật chất tối thật ra là cái gì”, Geringer-Sameth ở trường Đại học New York nói. “Chúng tôi đang bắt đầu thật sự đưa những lí thuyết này vào kiểm tra”.
Nguồn: Đại học Brown
