Có thể dùng chuyển động của các hành tinh để đưa ra ước tính tốt nhất cho giới hạn trên của khối lượng graviton – một hạt giả định là lượng tử của trường hấp dẫn. Đó là kết luận của Leo Bernus tại Đài thiên văn Paris và các đồng sự, họ đã sử dụng dữ liệu đáng giá hơn một thế kỉ trong các tính toán của mình.
Minh họa graviton, lượng tử của trường hấp dẫn
Trong các lí thuyết cố gắng đưa ra một mô tả lượng tử về lực hấp dẫn, graviton trung chuyển lực hấp dẫn giữa các vật thể khối lượng lớn. Có thể xem nó là một phiên bản hấp dẫn của photon, hạt trung chuyển lực điện từ giữa các vật tích điện. Một lí thuyết đúng về lực hấp dẫn cho đến nay vẫn chưa được phát triển, song ta có thể kiểm tra một số phương diện của các lí thuyết mới ra đời, kể cả việc chúng dự đoán graviton có khối lượng hay không.
Nếu lực hấp dẫn có tầm tác dụng vô hạn – như thuyết tương đối rộng Einstein khẳng định – thì các graviton phải không có khối lượng và chuyển động ở tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, một số lí thuyết về lực hấp dẫn lượng tử đề xuất rằng graviton có thể có một khối lượng cực nhỏ. Nếu điều này đúng, thì nó sẽ giới hạn tầm tác dụng của lực hấp dẫn và khống chế một giới hạn tốc độ dưới tốc độ ánh sáng đối với graviton.
Các sai lệch quỹ đạo
Các nỗ lực đo khối lượng graviton trước đây lần theo quỹ đạo của các hành tinh trong Hệ Mặt Trời và kiểm tra xem có bất kì sai lệch nào so với quỹ đạo do thuyết tương đối rộng dự đoán hay không. Các quan sát gần đây về quỹ đạo Hỏa tinh do Clifforf Will tại Đại học Florida thực hiện, chẳng hạn, đề xuất rằng khối lượng graviton phải dưới 10-23 eV/c2. Để so sánh, giới hạn trên đối với khối lượng của hạt nhỏ nhất được biết – hạt neutrino – là khoảng 1 eV/c2.
Tuy nhiên, trong nghiên cứu của họ, đội Bernus lưu ý rằng các phương trình của Will chưa bao gộp khả năng graviton có khối lượng, điều đó làm sai lệch các kết quả của ông nghiêng về một kết quả khối lượng zero.
Để giải quyết sai lầm này, Bernus và các đồng sự sửa lại các lí thuyết trước đây làm cho tầm tác dụng của trường hấp dẫn là hữu hạn và các biến điều chỉnh được. Họ tích hợp lí thuyết sửa đổi này vào một mô hình gọi là INPOP17b, mô hình dự đoán chuyển động của các hành tinh, vệ tinh và tiểu hành tinh lớn trong Hệ Mặt Trời. Sử dụng vị trí của mỗi vật thể trong năm 2000 là điều kiện xuất phát, họ cho chạy mô hình lùi đến năm 1913 và chạy xuôi đến 2017. Sau đó họ so sánh vị trí theo dự đoán của các vật thể với vị trí được quan sát của chúng.
Phân tích của họ đem lại độ tin cậy 90% rằng tầm tác dụng của trường hấp dẫn không thể dưới 1,8 ´ 1013 km. Con số này tương ứng với giới hạn trên của khối lượng graviton là 6,8 ´ 10-23 eV/c2 – lớn hơn kết quả của Will. Khi có thêm dữ liệu và dữ liệu chính xác hơn về động lực học của Hệ Mặt Trời, đội nghiên cứu hi vọng sẽ ràng buộc giá trị này chặt chẽ hơn trong tương lai.
Nghiên cứu được mô tả trên tạp chí Physical Review Letters.
Nguồn: physicsworld.com
