Các hạt quirk có thể giải thích cho khối lượng còn thiếu của vũ trụ

Hơn 70 năm qua, các nhà thiên văn vật lí đã vật lộn trước câu hỏi không biết cái gì có thể cấu thành nên vật chất tối còn thiếu dường như chiếm tới hơn 80% tổng khối lượng trong vũ trụ. Những ứng cử viên tiêu biểu là những thực thể cơ bản được gọi là các hạt nặng tương tác yếu, hay WMIP, nhưng nghiên cứu mới cho thấy một cái gì đó còn kì lạ hơn nữa sẽ trả lời câu hỏi trên tốt hơn.

Theo Kathryn Zurek thuộc trường đại học Michigan và các đồng sự, “hỗn hợp vật chất tối quirk” có thể giải thích khối lượng còn thiếu của vũ trụ, nhưng sẽ thoát được một số vấn đề thông thường đi cùng với vật chất WMIP bình thường. “Người ta đang ngày một trở nên rộng mở đầu óc trước những lí thuyết phức tạp hơn của vật chất tối”, Zurek nói.

Mô phỏng vành vật chất tối xung quanh đám thiên hà CL0024+17. (Ảnh: NASA)

WMIP được gọi tên như vậy vì chúng tương tác với vật chất “baryon tính” bình thường chỉ qua lực hấp dẫn và lực hạt nhân yếu. Nhưng sau hàng thập kỉ tìm kiếm, giả thuyết WMIP đang bắt đầu chịu sự kiểm soát ngày càng chặt chẽ. Trước tiên, các thí nghiệm dò tìm trực tiếp – thí dụ như thí nghiệm XENON100 tại phòng thí nghiệm Gran Sasso ở Italy, hay thí nghiệm CDMS ở Mĩ – cho đến nay vẫn chưa tìm ra bằng chứng có sức thuyết phục nào cho sự tồn tại của các WMIP. Điều này đưa đến kết luận cho rằng các WMIP phải tương tác cực kì yếu với vật chất bình thường.

Tuy nhiên, có lẽ quan trọng hơn, dường như chẳng có lí do gì lí giải vì sao vật chất tối lại dồi dài hơn đúng bốn lần so với vật chất bình thường – nói cách khác, tại sao nó lại có độ dồi dào vào cỡ độ lớn như vậy. Vì các nhà thiên văn vật lí đã quen xử lí với những sai lệch vào cỡ độ lớn 10, 20 hoặc lớn hơn, nên đặc điểm này trông như cái gì đó trùng hợp ngẫu nhiên.

Lời giải quirk

Vật chất tối xảo quyệt mang lại một phương hướng thoát khỏi các vấn đề tương tác yếu và trùng hợp ngẫu nhiên. Được nêu thành giả thuyết hồi năm 2008 bởi các nhà vật lí người Mĩ Junhai Kang và Markus Luty, “quirk” giống như các quark cấu tạo nên các nucleon bên trong các nguyên tử ở chỗ chúng liên kết với nhau thành những hạt phức. Tuy nhiên, các quirk phải nặng hơn nhiều, và thay vì liên kết bằng lực hạt nhân mạnh, chúng sẽ liên kết bằng một loại lực mới – một lực mạnh “tối”. Khi hai quirk mang điện trái dấu liên kết với nhau chúng sẽ tạo ra một hạt trung hòa, giống như neutron. Trong nghiên cứu mới nhất này, Zurek và đội của bà đã phát triển lí thuyết này thành một mô hình toàn diện hơn của vật chất tối.

Chính điện tích cố hữu của các quirk cho phép chúng tránh được vấn đề trùng hợp ngẫu nhiên WMIP. Điện tích liên hệ với sự dồi dào quirk giống như các quá trình trong Mô hình Chuẩn của vật lí hạt xác định sự dồi dào baryon, cho nên tự nhiên sẽ có một tỉ số gần như cân bằng của các quirk (vật chất tối) và các baryon (vật chất bình thường). Và tính trung hòa tổng thể của hạt phức, cả về điện tích và sự ghép cặp điện yếu, sẽ giải thích tại sao các thí nghiệm dò tìm trực tiếp cho đến nay lại thất bại trước việc đào tìm bất kì bằng chứng nào.

Neal Weiner, một nhà vũ trụ học và vật lí hạt cơ bản tại trường đại học New York, cho biết Zurek đã đi đến một mô hình thật hấp dẫn. “Bà cùng các cộng sự đã đương đầu với những vấn đề này [các vấn đề xuất hiện với vật chất WMIP bình thường] và thật sự đã có một số tiến bộ với chúng”, ông nói. “Nhưng cái tốt nhất bà đã chứng tỏ được là làm thế nào những mô hình này có thể có liên quan đến các thí nghiệm. Đây không phải là một bài tập lí thuyết – nếu một trong những quan điểm này là đúng, thì chúng ta sẽ có thể học được nhiều điều”.

Các vạch phổ hấp thụ

Một trong những cách các thí nghiệm có thể phát hiện ra vật chất tối quirk là từ bản chất đích thực của từng quirk trong hạt phức. Nếu chúng chỉ hơi khác nhau chút ít – nói thí dụ, khối lượng – thì các quirk có thể hiếm khi trao đổi một photon với một proton hoặc neutron của một nguyên tử, và như vậy tạo ra một sự giật lùi hạt nhân ở một trong những thí nghiệm dò tìm trực tiếp thông thường. Ngoài ra, khả năng hấp thụ các photon có nghĩa là vật chất tối quirk có một dải phổ hấp thụ, na ná như các vạch “Lyman” đối với hydrogen. Nếu ánh sáng phát ra từ một nguồn ở xa thí dụ như một quasar chiếu xuyên qua một đám vật chất tối quirk trên hành trình đến Trái đất, thì các kính thiên văn sẽ nhìn thấy những vạch hấp thụ này trong quang phổ ánh sáng.

Như bản thân Zurek chỉ rõ, loại dò tìm như thế này sẽ dựa trên một nguồn sáng đủ mạnh và một đám đủ đậm đặc của vật chất tối quirk. Nhưng với các thí nghiệm thất bại từ trước đến nay trong việc tìm ra bất kì bằng chứng thuyết phục nào cho vật chất tối WMIP bình thường, các nhà vật lí có thể nhận thấy họ phải bắt đầu khảo sát những khả năng kì lạ hơn nữa. “Có thể có những lực tối, có thể có nhiều thang bậc trong địa hạt vật chất tối, có thể có loại cấu trúc này trong đó có những trạng thái kích thích này... thật bất ngờ, chúng ta đang bắt đầu nghĩ tới những cơ sở động lực học phức tạp hơn nhiều”, Zurek nói.

Nghiên cứu này có đăng tại arXiv: 0909.2034.