Vật chất tối có thể được cấu tạo bởi một loại hạt mà không có bao nhiêu nhà khoa học đang tìm kiếm: axion.
- Matthew R. Francis (Symmetry Magazine, tháng 1/2015)
Thí nghiệm ADMX trông có vẻ như một bài thực hành trong mâu thuẫn.
Vật chất tối, chất liệu chiếm 85% toàn bộ khối lượng trong vũ trụ, là vô hình. Mục tiêu của ADMX là phát hiện ra nó bằng cách biến nó thành photon, các hạt ánh sáng. Vật chất tối được tôi luyện trong vũ trụ sơ khai, dưới điều kiện nhiệt độ cực cao. ADMX, mặt khác, hoạt động trong điều kiện cực lạnh. Vật chất tối chiếm phần lớn khối lượng của mỗi thiên hà. Để tìm kiếm nó, ADMX sẽ sử dụng những dụng cụ phức tạp kích cỡ siêu nhỏ.
Các nhà khoa học tại ADMX – viết tắt của Axion Dark Matter eXperiment (Thí nghiệm Vật chất Tối Axion) – đang tìm kiếm các hạt trên giả thuyết gọi là axion. Axion là một ứng cử viên vật chất tối tầm cỡ nhưng ít ai biết, cũng như lĩnh vực nghiên cứu vật lí bí truyền này.
Minh họa: Sandbox Studio, Chicago
Không giống như đa số ứng cử viên vật chất tối khác, axion có khối lượng rất thấp và tương tác rất yếu với các hạt vật chất bình thường và vì thế người ta khó phát hiện ra nó. Tuy nhiên, theo lí thuyết, axion có thể biến thành photon, hạt có hoạt tính cao hơn và dễ phát hiện hơn.
Hồi tháng 7 năm 2014, Bộ Năng lượng Hoa Kì (DOE) đã chọn ba thí nghiệm vật chất tối hứa hẹn nhất để tiếp tục tài trợ, trong đó có ADMX. Hai thí nghiệm kia – Máy dò Xenon Lớn Dưới lòng đất (LUX – Large Underground Xenon) và thí nghiệm Tìm kiếm Vật chất Tối Lạnh (CDMS – Cryogenic Dark Matter Search) – đều được thiết kế để săn tìm một ứng cử viên vật chất tối khác, những hạt nặng tương tác yếu, hay gọi tắt là WIMP.
Với sự nâng cấp do Bộ Năng lượng tài trợ, đội ADMX đã bổ sung thêm một máy lạnh làm lạnh bằng helium lỏng để cấp đông cho các máy dò nhạy của nó, gọi là các dụng cụ giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID). Thí nghiệm ADMX sử dụng từ trường mạnh của nó biến vật chất tối thành photon vi sóng mà SQUID có thể phát hiện khi hoạt động ở một tần số riêng tương ứng với khối lượng của axion.
Axion có thể là bé hạt tiêu bằng một phần nghìn tỉ khối lượng electron. Hãy so sánh nó với WIMP, hạt được dự đoán là nặng gấp hàng trăm nghìn lần khối lượng electron, tức là nặng hơn cả proton và neutron.
Hai thí nghiệm được DOE hậu thuẫn kia, CDMS và LUX, có nhiều đối thủ cạnh tranh trên khắp thế giới trong cuộc tìm kiếm WIMP. Còn ADMX thì gần như đơn độc với tư cách thí nghiệm quy mô lớn tìm kiếm axion. Nhà vật lí Leslie Rosenberg tại Đại học Washington, người lãnh đạo dự án ADMX, xem đây là một lợi thế để nhanh chóng làm xong việc trước khi các nhóm khác bắt kịp. “Người ta đang hồi hộp về vật chất tối WIMP,” ông nói. Cho nên áp lực là “tiến hành một thí nghiệm dứt khoát, hoặc phát hiện hạt này [axion], hoặc bác bỏ giả thuyết.”
Đáp số cho bài toán
Axion là hạt giả thuyết được đề xuất hồi cuối thập niên 1970, ban đầu là để sửa một bài toán hoàn toàn không có liên quan tới vật chất tối.
Khi các nhà vật lí phát triển lí thuyết của lực hạt nhân mạnh, lực liên kết các quark bên trong proton và neutron, họ để ý thấy có cái gì đó không ổn. Các tương tác bên trong neutron sẽ khiến chúng bất đối xứng điện, cho nên chúng sẽ bị đảo lật khi chịu tác dụng của điện trường. Tuy nhiên, các thí nghiệm cho thấy không có chuyện như thế, vì vậy phải có cái gì đó còn thiếu trong lí thuyết.
“Nếu bạn có thể áp đặt đối xứng ấy, thì có lẽ đó sẽ là một đáp số, nhưng bạn không thể làm,” nhà vật lí đã về hưu Helen Quinn tại Đại học Stanford cho biết. Thay vậy, vào năm 1977, bà và Roberto Peccei, người lúc ấy cũng làm việc tại Stanford, đã đề xuất một cải tiến đơn giản cho cơ sở toán học mô tả lực mạnh. Mô hình Peccei-Quinn, như ngày nay người ta gọi thế, vừa loại bỏ bất đối xứng neutron vừa dự đoán một hạt mới: axion.
Một ứng cử viên vật chất tối
Không giống như boson Higgs, axion nằm ngoài Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt và không bị chi phối bởi các lực trong mô hình này. Nếu chúng tồn tại, thì axion là trong suốt đối với ánh sáng, không tương tác trực tiếp với vật chất bình thường ngoại trừ theo những kiểu rất hời hợt, và có thể đã được tạo ra với số lượng đủ trong vũ trụ sơ khai để tạo nên phần 85% khối lượng mà chúng ta gọi là vật chất tối.
“Giả sử axion tồn tại, thì chúng hầu như chắc chắn là một phần của vật chất tối,” phát biểu của nhà vật lí lí thuyết Joseph Conlon tại Đại học Oxford.
Minh họa: Sandbox Studio, Chicago
“Axion là một lí giải ăn khớp với mọi thứ mà chúng ta biết về vật lí học và tất cả những ý tưởng mà bạn có thể mở rộng vật lí học,” ông nói. “Tôi nghĩ axion là một hạt mà hầu như tất cả các nhà lí thuyết hạt đều có khả năng cược món tiền lớn cho sự tồn tại của chúng, dẫu cho chúng rất, rất khó được phát hiện.”
Giống như Conlon, chúng tôi sẵn sàng cược rằng axion tồn tại, còn việc chúng có tồn tại với lượng như thế và ở ngưỡng khối lượng thích hợp để trình hiện trong các máy dò hạt của chúng tôi hay không thì là một chuyện khác.
Rosenberg tin rằng ADMX sẽ hoạt động, và sau cùng, nó sẽ làm sáng tỏ cái nằm trong tầm với của nó: “Cái tôi có thể nói là có khả năng chúng tôi có trong tay một thí nghiệm ít ra bao quát được một ngưỡng rộng khối lượng sẽ hoặc phát hiện các axion này hoặc bác bỏ giả thuyết đó với độ tin cậy cao.”
Việc tìm thấy bất kì một hạt axion nào sẽ là một xác minh của lí thuyết do Quinn, Peccei và những người khác đã phát triển. Việc tìm thấy nhiều hạt axion cuối cùng có thể giải được bài toán vật chất tối và hạt ngựa đen này sẽ giành quán quân trong cuộc đua.
Nguồn: Symmetry Magazine
