Lí thuyết đơn giản có thể giải thích vật chất tối

Phần lớn vật chất trong vũ trụ có lẽ được cấu tạo bởi những hạt có một trường điện từ khác lạ, hình xuyến gọi là anapole.

Đề xuất này vừa được củng cố thêm bởi một phân tích chi tiết của hai nhà vật lí lí thuyết tại trường Đại học Vanderbilt: giáo sư Robert Scherrer và nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ Chiu Man Ho. Bài báo của họ đã đăng trực tuyến hồi tháng trước trên tạp chí Physics Letters B.

Đây là một so sánh của một trường anapole với lưỡng cực điện và lưỡng cực từ thông thường. Trường anapole, hình trên cùng, được tạo ra bởi một dòng điện toroid. Vì thế, trường bị giam cầm trong các vòng xuyến, thay vì tỏa ra giống như trường sinh bởi các lưỡng cực điện và lưỡng cực từ bình thường. Ảnh: Michael Smeltzer, Đại học Vanderbilt

“Có rất nhiều lí thuyết khác nhau nói về bản chất của vật chất tối. Cái tôi thích ở lí thuyết này là sự đơn giản, độc nhất vô nhị của nó và thực tế là nó có thể kiểm tra được,” Scherrer nói.

Trong bài báo mang tựa đề “Vật chất tối anapole”, hai nhà vật lí đề xuất rằng vật chất, một dạng vật chất không nhìn thấy chiếm 85% lượng vật chất có trong vũ trụ, có lẽ được cấu tạo bởi một loại hạt cơ bản gọi là fermion Majorana. Sự tồn tại của hạt fermion này đã được dự đoán hồi thập niên 1930 nhưng nó vẫn còn lảng tránh các nhà khoa học.

Một số nhà vật lí đề xuất rằng vật chất tối được cấu tạo bởi những hạt Majorana, nhưng Scherrer và Ho đã tiến hành những tính toán chi tiết chứng minh rằng những hạt này chỉ thích hợp có một loại trường điện từ hiếm, hình xuyến, gọi là anapole. Trường này gây cho chúng những tính chất khác với tính chất của những hạt có những trường thường gặp hơn như có hai cực (bắc và nam, dương và âm) và lí giải tại sao chúng khó được phát hiện như vậy.

“Đa số các mô hình cho vật chất tối giả sử rằng nó tương tác qua những lực kì lạ mà không chúng ta không gặp trong cuộc sống hằng ngày. Vật chất tối anapole sử dụng lực điện từ bình thường mà bạn đã học ở trường phổ thông – chính là lực đã làm cho nam châm khép cửa tủ lạnh nhà bạn hoặc làm cho cái bong bóng cọ xát trên tóc bạn bay dính vào trần nhà,” Scherrer nói. “Ngoài ra, mô hình này đưa ra các dự đoán rất đặc biệt về tốc độ lực này sẽ biểu hiện trong những máy dò vật chất tối khổng lồ chôn dưới lòng đất trên khắp thế giới. Những dự đoán này cho thấy sự tồn tại của vật chất tối anapole sẽ được khám phá hoặc bị bác bỏ bởi những thí nghiệm này.”

Fermion là những hạt như electron và quark, chúng là những viên gạch cấu trúc của vật chất. Sự tồn tại của chúng đã được Paul Dirac dự đoán hồi năm 1928. Mười năm sau đó, không bao lâu trước khi ông mất tích bí ẩn trên biển, nhà vật lí người Italy Ettore Majorana đã sáng tạo ra một biến thể của công thức Dirac tiên đoán sự tồn tại của một fermion trung hòa điện. Kể từ đó, các nhà vật lí đã lao vào tìm kiếm fermion Majorana. Ứng cử viên ban đầu là neutrino, nhưng các nhà khoa học không thể xác định bản chất căn bản của hạt khó nắm bắt này.

Sự tồn tại của vật chất tối cũng được đề xuất lần đầu tiên vào thập niên 1930 để giải thích sự khác biệt tốc độ quay của các đám thiên hà. Sau đó, các nhà thiên văn phát hiện ra rằng tốc độ các ngôi sao quay xung quanh từng thiên hà cũng không đồng bộ giống như vậy. Các quan trắc chi tiết cho thấy các ngôi sao ở xa tâm các thiên hà chuyển động với vận tốc cao hơn nhiều so với cái có thể giải thích bởi lượng vật chất nhìn thấy mà các thiên hà có chứa. Giả sử chúng chứa một lượng lớn vật chất “tối” không nhìn thấy là con đường hiển nhiên nhất để giải thích những khác biệt này.

Các nhà khoa học nêu giả thuyết rằng vật chất tối không thể nào nhìn thấy được trong các kính thiên văn bởi vì chúng không tương tác mạnh lắm với ánh sáng và bức xạ điện từ khác. Thật vậy, các quan trắc thiên văn về cơ bản đã bác bỏ khả năng rằng các hạt vật chất tối có mang điện.

Tuy nhiên, mới đây hơn, một số nhà vật lí đã khảo sát những hạt vật chất tối không mang điện tích, nhưng có lưỡng cực điện hoặc lưỡng cực từ. Vấn đề duy nhất là ngay cả những mô hình phức tạp này cũng bị bác bỏ đối với các hạt Majorana. Đó là một trong những lí do khiến Ho và Scherrer chọn khảo sát vật chất tối với một moment từ anapole.

“Mặc dù các fermion Majorana trung hòa điện, nhưng sự đối xứng căn bản của tự nhiên cấm chúng có bất kì tính chất điện từ nào ngoại trừ anapole,” Ho nói. Sự tồn tại của anapole từ tính đã được dự đoán bởi nhà vật lí Xô Viết Yakov Zel'dovich vào năm 1958. Sau đó nó đã được quan sát thấy trong cấu trúc từ của hạt nhân nguyên tử cesium-133 và ytterbium-174.

Những hạt có các lưỡng cực điện và lưỡng cực từ quen thuộc tương tác với trường điện từ ngay cả khi chúng đứng yên. Những hạt có trường anapole thì không. Chúng phải chuyển động trước khi chúng tương tác và chúng chuyển động càng nhanh thì tương tác càng mạnh. Do đó, các hạt anapole sẽ hoạt tính hơn nhiều vào những ngày đầu sơ khai của vũ trụ và mỗi lúc một kém hoạt tính dần khi vũ trụ giãn nở và lạnh đi.

Các hạt vật chất tối anapole mà Ho và Scherre đề xuất sẽ hủy trong vũ trụ sơ khai giống hệt như những hạt vật chất tối đã được đề xuất khác, và những hạt còn sót lại từ quá trình đó sẽ tạo nên vật chất tối mà chúng ta thấy ngày nay. Nhưng vì vật chất tối ngày nay chuyển động chậm hơn rất nhiều, và vì tương tác anapole phụ thuộc vào nó chuyển động bao nhanh, nên những hạt này sẽ vượt khỏi tầm dò tìm và phát hiện.

Tham khảo: Anapole dark matter. Physics Letters B, 2013; 722 (4-5): 341 DOI: 10.1016/j.physletb.2013.04.039 (adsabs.harvard.edu/abs/2013PhLB..722..341H)

Nguồn: Physorg.com