Phần trình bày ở trên chỉ nêu một ý niệm thô của mối tương quan mạnh giữa một bên là lí thuyết hạt và một bên là vũ trụ học lí thuyết. Trước đây, ví dụ khoảng năm 1980, các nhà lí thuyết hạt xem vũ trụ học có phần kém cỏi vì số liệu vũ trụ học quá không chính xác so với số liệu chính xác thu từ các máy gia tốc năng lượng cao. Tình huống này ngày nay hoàn toàn thay đổi khi dữ liệu về bức xạ nền vi sóng vũ trụ hồi năm 2003 đã thu được độ chính xác đủ cao để được mô tả là “vũ trụ học chính xác”. Hai nghiên cứu của cái rất nhỏ (các hạt) và cái rất lớn (vũ trụ học) đã trở nên hòa quyện không thể tách rời. Đa số các khoa viện vật lí ở các trường đại học ngày nay nhập hai ngành này thành một nhóm. Đối tượng của lí thuyết dây rơi gọn vào chuyên mục “Các hạt, các dây và vũ trụ học”, thật tình cờ đây là tiêu đề của một loạt hội nghị quốc tế danh tiếng. Trong giới chuyên môn, các dây thống nhất không chỉ các phương diện của hiện tượng học hạt và vũ trụ học lí thuyết mà còn kích thích những hướng nghiên cứu chung trong ngành vật lí và toán học.
Chương 4
Vật chất tối và Năng lượng tối
Trong chương này và chương tiếp theo, chúng ta sẽ nói về thành phần hiện nay của vũ trụ. Các baryon là chất liệu tạo nên mọi vật hằng ngày nên chúng ta bắt đầu với phần nói ngắn gọn về thành phần này.
Có hai phương pháp ước tính mật độ năng lượng do các baryon trong vũ trụ. Một phương pháp lần đầu tiên được sử dụng vào năm 1960 là tính sự hình thành helium và các nguyên tố nhẹ khác trong vũ trụ sơ khai lúc khoảng một phút sau Big Bang. Phương pháp kia, chỉ mới thực hiện được kể từ năm 2000, là phân tích độ cao tương đối của các cực đại âm lẻ và chẵn trong sự dị hướng của phông nền vi sóng vũ trụ. Do đó, hai phương pháp này phân tích các thời kì vũ trụ học khá khác nhau nhưng rất khớp với nhau. Kết quả là các baryon chiếm khoảng bốn phần trăm tổng mật độ năng lượng tới hạn. Các baryon khả kiến tương ứng với các ngôi sao tỏa sáng chiếm chưa tới một phần trăm, còn hơn ba phần trăm là không khả kiến và được dán cho cái nhãn là vật chất tối baryon. Bốn phần trăm này của tổng mật độ năng lượng là phần duy nhất mà chúng ta đã hiểu rõ. Sự hiểu biết về thành phần “tối” hiện nay khiến các nhà vật lí học lí thuyết rất khiêm tốn nhưng đây chính là cơ hội cho những người trẻ tuổi dấn thân vào con đường nghiên cứu vì chúng ta chỉ mới hiểu sơ bộ rất hạn chế chín mươi sáu phần trăm của vũ trụ của chúng ta.
--
Vũ trụ tối phi baryon chiếm khoảng hai mươi tư phần trăm của mật độ tới hạn hay chừng gấp sáu lần mật độ baryon. Vật chất tối phi baryon bí ẩn hơn nhiều so với vật chất tối baryon bởi vì nó không phải là cái quen thuộc trong cuộc sống hằng ngày. Sự có mặt của nó đã được nghi ngờ cao độ kể từ các quan sát của Zwicky vào năm 1933 nhưng bất chấp hơn bảy mươi năm nghiên cứu, bản chất của nó vẫn còn là suy đoán. Tuy nhiên, hai ứng cử viên tốt cho vật chất tối phi baryon là những hạt chưa được khám phá đã được nêu giả thuyết bằng cách xét các mở rộng của mô hình chuẩn của ngành vật lí hạt cơ bản.
--
Mô hình chuẩn này là một lí thuyết trường chuẩn mô tả các tương tác của các quark và lepton. Nó gồm hai mảnh: một mảnh mô tả các tương tác mạnh của các quark và được gọi là sắc động lực học lượng tử (QCD), mảnh kia mô tả một thống nhất của tương tác điện từ và tương tác yếu gọi là lí thuyết điện yếu. Vì thế, hai mảnh đó là rời nhau. Tuy nhiên, cái cám dỗ người ta là cố gắng thống nhất mảnh mạnh và mảnh điện yếu thành một lí thuyết duy nhất mà trong chuyên môn gọi là lí thuyết thống nhất lớn. Trong một lí thuyết như vậy, toàn bộ ba kết hợp cho lực mạnh, lực điện từ và lực yếu thống nhất ở một năng lượng rất cao vượt ngoài khả năng của các máy va chạm năng lượng cao ngày nay.
--
Một lí thuyết thống nhất lớn như vậy có nhiều đặc điểm hấp dẫn và đưa đến những tiên đoán đáng chú ý. Tiên đoán nổi bật nhất là tính không bền của proton hàm ý rằng tất cả các vật rốt cuộc là không bền. Tất nhiên, chu kì sống của proton phải cực kì lâu bởi vì vật chất là rất bền và thậm chí những giới hạn ràng buộc mạnh hơn đã được đặt ra bởi kết quả không quan sát thấy sự phân hủy proton trong các thí nghiệm tinh xảo. Tuy nhiên, có những vấn đề kĩ thuật nhất định với lí thuyết đó. Ví dụ, lí thuyết điện yếu có hàm chứa một trường vô hướng gọi là boson Higgs giữ một vai trò thiết yếu trong sự phá vỡ đối xứng giữa tương tác điện từ và tương tác yếu. Trường vô hướng này phải được tính đến trong lí thuyết thống nhất lớn nhưng khi ấy các hiệu chỉnh lượng tử, trong chuyên môn gọi là các phân kì bậc hai, tự nhiên buộc trường Higgs có một khối lượng cực nặng gần bằng cỡ thống nhất lớn. Nhưng như thế thì phá hỏng mất khả năng của nó giữ vai trò thích hợp trong hiện tượng phá vỡ đối xứng. Một vấn đề nữa là, xét về mặt hiện tượng học, sự thống nhất của ba cặp tương tác không xảy ra chính xác cho lắm trong khuôn khổ lí thuyết thống nhất lớn tối thiểu.
CÁC LÍ THUYẾT THỐNG NHẤT LỚN: Cố gắng kết hợp tương tác điện yếu của các lepton và các quark với tương tác mạnh của các quark.
Một cách cải thiện cả hai vấn đề này là mở rộng mô hình chuẩn thành cái gọi là mô hình chuẩn siêu đối xứng và thống nhất nó thành một lí thuyết thống nhất lớn siêu đối xứng. Giả thuyết bổ sung của siêu đối xứng là một đối xứng đẹp về mặt toán học tuy nhiên lại không có bằng chứng thực nghiệm nào. Nó có vai trò tiên đoán một siêu đối hạt cho mỗi hạt trong mô hình chuẩn: ví dụ, với mỗi quark có một siêu đối hạt gọi là squark. Mỗi siêu đối hạt có spin sai khác một nửa đơn vị với hạt nguyên bản của nó.
Trong giới hạn của siêu đối xứng chính xác, hạt và siêu hạt phải có khối lượng chính xác bằng nhau. Nhưng đặc tính này bị loại trừ trên phương diện thực nghiệm bởi vì, ví dụ, một selectron cùng khối lượng với electron sẽ dễ dàng phát hiện được và rõ ràng bị loại trừ bởi thí nghiệm ở khối lượng đó. Do đó, siêu đối xứng bị phá vỡ và các siêu hạt, nếu chúng tồn tại, nói chung phải nặng hơn đáng kể so với đối hạt bình thường của chúng.
Giả thuyết siêu đối xứng có hai ưu điểm. Thứ nhất, khi sáp nhập boson Higgs vào một lí thuyết thống nhất lớn siêu đối xứng thì khối lượng Higgs không bị ảnh hưởng bởi các phân kì bậc hai. Điều này đúng cả với sự phá vỡ siêu đối xứng, khiến những phá vỡ như thế thuộc vào một loại đặc biệt trong chuyên môn gọi là “mềm” và ở cỡ gần với cỡ đặc trưng phá vỡ điện yếu. Thứ hai, sự thống nhất ba cặp tương tác khi các siêu hạt được gộp đến trở nên mang tính hiện tượng học chính xác hơn trong trường hợp không có siêu đối xứng.
Trong khi thừa nhận rằng quan niệm siêu đối xứng vẫn chưa được thí nghiệm ủng hộ, nhưng theo hướng nghiên cứu lí thuyết này người ta không thấy có bất kì nhược điểm nào và thiết kế của máy dò hạt dành cho thế hệ tiếp theo của các máy va chạm hạt được sắp xếp phần nào là để tìm kiếm các siêu hạt.
Vậy còn vật chất tối phi baryon trong vũ trụ thì sao? Ở đây ít nhiều cần giải thích để chúng ta hiểu làm thế nào mô hình chuẩn siêu đối xứng lại có vẻ cung cấp một hạt ứng cử viên tốt giữ vai trò của vật chất tối phi baryon. Trong mô hình chuẩn siêu đối xứng, có một đối xứng riêng tự nhiên trong chuyên môn gọi là đối xứng R nghĩa là số lượng siêu hạt được bảo toàn trong mỗi quá trình. Một đối xứng R như thế là cần thiết trong lí thuyết thống nhất lớn siêu đối xứng để né tránh vấn đề thời gian sống của proton quá ngắn cho khớp với thí nghiệm.
Một hệ quả của đối xứng R là phải tồn tại một hạt siêu đối xứng nhẹ nhất (LSP) tuyệt đối bền vững bởi vì không có siêu hạt nào nhẹ hơn để nó phân hủy thành trong khi bảo toàn tính chẵn lẻ R. LSP này thường là một kết hợp tuyến tính của các siêu hạt của hạt Higgs (Higgsino), photon (photino), và boson chuẩn B (bino). Một LSP như thế thường được gọi là neutralino.
Neutralino sẽ có khối lượng khoảng gấp một trăm lần khối lượng proton và tương tác với cường độ đặc trưng của tương tác yếu. Như vậy, nó mang lại một thí dụ của một họ hạt được phát minh cho mục đích bao gộp vật chất tối phi baryon gọi là những hạt nặng tương tác yếu (WIMP). Khi tính xem có bao nhiêu neutralino sống sót sau phân hủy thời vũ trụ sơ khai, người ta hài lòng thấy rằng nó khớp hoàn hảo với lượng vật chất phi baryon đã được quan sát thấy. Nó khớp đến mức một số nhà lí thuyết xem đây là động lực chính để đặt niềm tin vào siêu đối xứng bởi vì neutralino mang lại một ứng cử viên tự nhiên cho một hạt WIMP vũ trụ học.
