Có hay không hạt năng lượng tối?

Vũ trụ của chúng ta mỗi ngày to ra thêm một chút. Không gian trống rỗng đang dãn nở, đẩy các thiên hà ngày càng xa nhau hơn. Thậm chí ánh sáng sao lan tỏa qua vùng hư không lạnh lẽo này cũng bị kéo dãn như một dây cao su.

Bằng chứng thiên văn học cho sự dãn nở tăng tốc của vũ trụ có đầy ra đấy. Nhưng cái gì đang đẩy vũ trụ ra xa nhau?

Các nhà vật lí hạt sơ cấp cố gắng trả lời những câu hỏi tầm vóc vũ trụ như thế này bằng những định luật cơ bản nhất của tự nhiên. Nhưng câu hỏi đặc biệt này khiến họ sa lầy vì nó chẳng giống bất kì câu hỏi nào khác.

“Nếu chúng ta hiểu đúng lực hấp dẫn, thì có chất liệu gì đó khác trong vũ trụ chiếm khoảng hai phần ba mật độ năng lượng toàn phần và hành xử hoàn toàn khác với vật chất bình thường,” theo lời của nhà vật lí Amol Upadhye, một nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại Đại học Wisconsin, Madison, Hoa Kì. “Vậy nên bí ẩn to lớn là, chất liệu này là cái gì.”

Chất liệu này là năng lượng tối, nhưng ngoài tác dụng có vẻ như đẩy ra xa của nó trong vũ trụ, các nhà khoa học chẳng biết được gì nhiều. Tuy nhiên, các nhà lí thuyết như Upadhye nghi ngờ rằng nếu thật sự có cái gì đó làm cho không gian trống rỗng dãn nở, thì có khả năng nó tạo ra một loại hạt. Nhưng để bắt được với quan trắc vũ trụ học, một hạt năng lượng tối sẽ đòi hỏi một loạt tính chất phức tạp. Ví dụ, nó sẽ phải hành xử giống như con tắc kè – nghĩa là, nó sẽ phải biến đổi các tính chất của nó theo môi trường xung quanh của nó.

Trong sâu thẳm của không gian trống rỗng, một hạt tắc kè có khả năng gần như không khối lượng, giảm thiểu lực hút hấp dẫn của nó với các hạt khác. Nhưng trên Trái đất này (và ở bất kì vùng vật chất dày đặc nào khác của không gian), hạt tắc kè sẽ phải nở ra đến một khối lượng lớn hơn nhiều. Điều này làm hạn chế khả năng của nó tương tác với vật chất bình thường và khiến nó hầu như vô hình trước đa số máy dò hạt.

“Nếu vật chất là âm nhạc, thì vật chất bình thường sẽ tựa như các phím đàn piano,” Upadhye nói. “Mỗi hạt có một khối lượng rạch ròi, giống hệt như mỗi phím đàn piano chơi một nốt đơn. Còn các hạt tắc kè sẽ tựa như sự luyến láy trên kèn trombone và có khả năng biến đổi cao độ của chúng dựa trên lượng âm nhiễu.”

Ngoài một khối lượng luyến láy, các hạt tắc kè sẽ phải tác dụng một áp suất âm. Trong vật lí cổ điển, áp suất là lực mà các hạt tác dụng lên bình chứa của chúng. Khi bình chứa làm bằng vật chất (kiểu như da cao su của quả bong bóng), thì nó dãn ra khi áp suất bên trong tăng lên, và trở lại bình thường khi áp lực biến mất. Còn khi bình chứa làm bằng hư không – nghĩa là, bình chứa là chính không thời gian – thì hiệu ứng ngược lại xảy ra. Chẳng hạn, khi quả bong bóng mừng sinh nhật được bơm đầy không khí, không gian trống rỗng xung quanh hơi co lại một chút. Còn khi quả bong bóng xả không khí ra và áp suất biến mất, thì không gian trở lại bình thường.

Tất cả những hạt đã biết làm co không gian khi áp suất của chúng tăng lên và hồi phục không gian khi áp suất của chúng tiến đến không. Nhưng để thật sự làm dãn không gian, một hạt sẽ phải tác dụng một áp suất âm – một quan niệm hoàn toàn xa lạ với thế giới vật lí vĩ mô của chúng ta nhưng không phải là không thể ở cấp độ hạ nguyên tử.

“Đây thật sự là một ý tưởng kiểu Einstein,” Upadhye nói. “Nếu bạn đưa một chất liệu có áp suất âm vào các phương trình của thuyết tương đối tổng quát, thì bạn thu được sự dãn nở tăng tốc này của vũ trụ.”

Một hạt làm lệch khối lượng, làm dãn không gian sẽ không giống bất cứ thứ gì khác trong vật lí học. Nhưng các nhà vật lí hi vọng nếu một hạt như vậy tồn tại, thì nó sẽ có dồi dào trong không gian sâu thẳm lẫn trong hệ mặt trời của chúng ta ở đây.

Một số thí nghiệm đã và đang tìm kiếm các hạt tắc kè bằng cách theo dõi chặt chẽ các tính chất của vật chất bình thường và tìm kiếm bất kì hiệu ứng kiểu tắc kè nào xuất hiện. Nhưng Kính thiên văn Axion Mặt trời CERN, hay thí nghiệm CAST, đang hi vọng bắt được trực tiếp các hạt tắc kè khi chúng phát ra từ mặt trời.

“Mặt trời là nguồn hạt lớn nhất của chúng ta,” phát biểu của Konstantin Zioutas, phát ngôn viên cho thí nghiệm CAST. “Nếu các hạt tắc kè tồn tại, thì chúng có thể được tạo ra dồi dào trong mặt trời.”

Thí nghiệm CAST là một kính thiên văn chuyên dụng tìm kiếm các hạt kì lạ và hiếm hoi phát ra từ mặt trời và vũ trụ sơ khai. Zioutas và các đồng sự của ông vừa lắp đặt xong một kính lúp đặc biệt bên trong CAST thu gom và làm hội tụ các hạt lên trên một màng mỏng hết sức nhạy treo trong một hộp cộng hưởng điện từ. Hi vọng của họ là nếu các hạt tắc kè tồn tại và được tạo ra bởi mặt trời, thì họ sẽ nhìn thấy áp suất cực kì nhỏ mà thông lượng của những hạt này sẽ tác dụng khi chúng bị phản xạ trên màng mỏng khi ngắm về hướng mặt trời.

Cho đến nay họ chưa nhìn thấy gì bất ngờ cả, nhưng các cải tiến mới vào mùa đông này sẽ làm cho thí nghiệm của họ nhạy hơn nữa với các hạt tắc kè mặt trời lẫn các hiện tượng hạt vũ trụ kì lạ khác.

“Bí ẩn năng lượng tối là thách thức to lớn nhất trong vật lí học, và chẳng có cái gì mà chúng ta hiểu hiện nay có thể giải thích được nó,” Zioutas nói. “Ta phải nhìn vào sự kì lạ của các hiện tượng lạ để tìm những lời giải hợp lí.”

Nguồn: Symmetry Magazine (Sarah Charley)

Bài trước | Bài kế tiếp