Những phân tích dữ liệu độc lập nhau từ Kính thiên văn vũ trụ tia gamma Fermi không tìm thấy vết tích nào của vật chất tối khối lượng thấp – chất liệu bí ẩn được cho là chiếm phần lớn vũ trụ. Các kết quả dường như đi ngược lại với bằng chứng trực tiếp mới đây cho vật chất tối khối lượng thấp, mặc dù một số vật lí tin rằng chẳng có sự mâu thuẫn nào cả.
Vật chất tối là một chất liệu không nhìn thấy được cho là chiếm gần một phần tư khối lượng/năng lượng của vũ trụ. Trong khi sức hút hấp dẫn của nó là cần thiết để giải thích các tính chất của những cấu trúc đồ sộ như các thiên hà, nhưng nó không tương tác mạnh với ánh sáng và, do đó, chưa từng được quan sát trực tiếp. Những ứng cử viên phổ biến nhất cho vật chất tối là cái gọi là các hạt nặng tương tác yếu (WIMP). Để phát hiện trực tiếp ra những hạt WIMP này, các nhà nghiên cứu đã xây dựng những máy dò trong phòng thí nghiệm dưới lòng đất, nơi đó sự nhiễu nền thấp sẽ cho phép nhặt ra mọi loại tín hiệu. Những thí nghiệm máy dò này bao gồm DAMA và CRESST, cả hai đều đặt dưới lòng đất tại phòng thí nghiệm Gran Sasso ở miền trung Italy, và CoGeNT, đặt trong mỏ quặng Soudan ở Mĩ.
Chỉ trong hơn một thập kỉ, một đội tại thí nghiệm DAMA khẳng định đã nhìn thấy một sự điều biến thường niên trong dữ liệu của họ phù hợp với quỹ đạo của Trái đất đi qua một “cơn gió” thịnh hành của những hạt WIMP vật chất tối trong thiên hà của chúng ta. Hồi năm ngoái, những tín hiệu đó đã được hậu thuẫn bởi hàng trăm đốm sáng giống-như-WIMP trong các máy dò tại CoGeNT và, hồi tháng 9, vài tá đốm sáng giống-như-WIMP trong các máy dò tại CRESST. Mặc dù tín hiệu của ba thí nghiệm này không khớp hoàn toàn, nhưng chúng dường như hướng tối một hạt WIMP tương đối nhẹ với khối lượng vào cỡ 10 GeV/c2.
Kính thiên văn vũ trụ tia gamma Fermi. Ảnh: NASA
Các hạt WIMP đang va chạm
Nếu một hạt WIMP nhẹ như thế thật sự tồn tại, nó sẽ để lại bằng chứng gián tiếp nữa trong dữ liệu thu được bởi kính thiên văn Fermi đang bay trên quỹ đạo. Chiếc kính thiên văn này, là một sứ mệnh hợp tác giữa NASA và những cơ quan vũ trụ quốc tế khác, phải có thể ghi được bất kì tia gamma nào sinh ra khi các hạt WIMP va chạm và hủy lẫn nhau. Nhưng nay hai phân tích độc lập nhau của dữ liệu Fermi tìm thấy – ít nhất là đối với hai loại phân hủy chính – không có tia gamma cho những hạt WIMP nhẹ.
Phân tích thứ nhất được thực hiện bởi Johann Cohen-Tanugi và những người khác tại chương trình hợp tác Fermi-LAT ( Kính thiên văn Diện tích Lớn Fermi). Đội khoa học đã sử dụng một mô hình máy tính tính ra công suất phát của những nguồn tia gamma đã biết đến từ vùng phụ cận của “những thiên hà lùn hình phỏng cầu” đồng hành của thiên hà của chúng ta. Bằng cách so sánh mô hình với dữ liệu Fermi thực tế, các nhà nghiên cứu tìm thấy không có sự đóng góp bổ sung đáng kể nào từ WIMP với khối lượng dưới 30 GeV/c2 phân hủy thành quark bottom hoặc lepton tau.
Phân tích thứ hai được thực hiện bởi Alex Gregor-Sameth và Savvas Koushiappas thuộc trường Đại học Brown ở Mĩ. Nó cũng xác định tia gamma đến từ những thiên hà lùn hình phỏng cầu đồng hành của Dải Ngân hà, nhưng nó dựa trên một phương pháp khác. Các nhà nghiên cứu sử dụng tia gamma ghi từ những vùng xung quanh các thiên hà lùn ấy làm phông nền, sau đó so sánh phông nền này với tia gamma phát ra từ hướng của những bản thân những thiên hà lùn ấy để tìm kiếm một thành phần WIMP. Phân tích cho thấy không có hạt WIMP với khối lượng dưới 40 GeV/c2 phân hủy thành quark bottom, và không có hạt WIMP khối lượng dưới 19 GeV/c2 phân hủy thành lepton tau.
Hai phân tích thì tốt hơn một
“Hai nghiên cứu trên bổ sung cho nhau, và chúng tiêu biểu cho hai phương pháp khác nhau để người ta có thể tiếp cận vấn đề trên,” Koushiappas nói. “Theo quan điểm của tôi, sự bổ sung của hai bài báo này đưa đến những ràng buộc chặt chẽ hơn so với khi chỉ có phân tích được thực hiện.”
Những ràng buộc này có vẻ đi ngược lại với bằng chứng mà DAMA, CoGeNT và CRESST đã báo cáo, nhưng những chương trình hợp tác đó không nhất thiết thấy có sự mâu thuẫn. “Người ta dễ ngây thơ khẳng định rằng có áp lực nào đó ở đây,” phát biểu của Juan Collar, phát ngôn viên cho CoGeNT. Nhưng loại phân hủy mà các nhà nghiên cứu Brown và Fermi-LAT xem xét không phải là loại chủ yếu được xét đến bởi những người đang nghiên cứu những thí nghiệm vật chất tối khác. “Khi ý nghĩa chính xác của những ràng buộc và những dấu hiệu đó được xác định, thì vấn đề sẽ dễ hiểu hơn nhiều,” ông nói.
Rita Bernabei, phát ngôn viên cho chương trình DAMA, cho biết tín hiệu DAMA cũng tương thích với những khối lượng WIMP nằm trên những giới hạn Fermi mới. “Các kết quả trong bài báo đó… là phụ thuộc mô hình và cần có sự xem xét kĩ lưỡng để suy luận ra những giới hạn phụ thuộc mô hình như thế,” bà nói. Một phát ngôn viên cho chương trình CRESST thì không nêu ra bình luận gì.
Cơ sở vật lí vẫn chưa được hiểu rõ
Michael Kuhlen, một nhà thiên văn vật lí lí thuyết tại trường Đại học California, Berkeley, người không có liên quan gì với nghiên cứu trên, cũng tin rằng không nhất thiết có sự mâu thuẫn giữa dữ liệu Fermi và dữ liệu của những cuộc tìm kiếm vật chất tối trực tiếp khác. Ông cho biết thật khó mà liên hệ xác suất phân hủy dùng trong những nghiên cứu mới nhất này với xác suất của những tương tác WIMP suy luận ra bởi những thí nghiệm tìm kiếm vật chất tối trực tiếp mà không có sự hiểu rõ nền tảng vật lí hạt như thế.
Nhưng phải chăng hiện nay chúng ta còn lâu mới biết vật chất tối thật ra là cái gì? “Chắc chắn chúng ta không tiếp gần thêm bước nào cả,” Kuhlen nói.
Có thể tham khảo bản thảo của hai bài báo trên tại arXiv.org:1108.2914 và arXiv.org:1108.3546.
Nguồn: physicsworld.com
