Ảnh minh họa vệ tinh PAMELA: phải chăng thí nghiệm này đã thoáng thấy mảng tiềm ẩn của vũ trụ? (Ảnh: PAMELA)
Theo các nhà vật lí ở Mĩ, các kết quả mâu thuẫn nhau thu về từ các thí nghiệm tìm kiếm vật chất tối có thể giải quyết được nếu như vật chất tối hay lảng tránh ấy cấu thành từ hai loại hạt.
Lí thuyết mới có thể làm sáng tỏ một bí ẩn xuất hiện trước ánh sáng vào năm 2008, khi chương trình hợp tác PAMELA công bố một trong những mảnh bằng chứng mạnh mẽ nhất từ trước đến nay cho sự phát hiện trực tiếp của vật chất tối – một chất liệu được cho là chiếm tới hơn 80% vật chất của vũ trụ. PAMELA nhìn thấy một cái “bướu” trong độ dồi dào của các phản electron vũ trụ, còn gọi là positron, được cho là sinh ra khi các hạt vật chất tối hủy nhau. Nhưng không hề có dấu hiệu phù hợp nào cho các phản proton, hạt cũng sẽ được sinh ra bởi sự phân hủy vật chất tối.
Đó không phải là vấn đề duy nhất. Nếu dấu hiệu PAMELA thật sự là bằng chứng cho sự phân hủy, thì vật chất tối có liên quan sẽ thuộc một loại chưa bao giờ thể hiện trong các thí nghiệm dò tìm trực tiếp, thí dụ như CDMS-II, đặt trong một quặng mỏ ở Minnesota, Hoa Kì. Nhưng trong những năm gần đây, CDMS-II và các thí nghiệm dò tìm trực tiếp khác đã có những dấu hiệu riêng của mình cho vật chất tối.
Nay Daniel Feldman tại Đại học Michigan và các đồng sự tại các trường viện khác ở Mĩ nghĩ rằng họ đã tìm ra một phương thức nối kết những tín hiệu không phù hợp này lại. Họ cho biết vật chất tối có thể cấu tạo gồm hai loại hạt – một hạt bình thường, sẽ thể hiện trong các thí nghiệm dò tìm trực tiếp, và một hạt “khu ẩn”, sẽ giải thích tín hiệu PAMELA. “Tôi nghĩ chúng tôi đã có mô hình đầu tiên, với nó chúng tôi có thể giải thích về cơ bản mọi dữ liệu vật chất tối hiện nay”, phát biểu của Pran Nath, một trong các đồng tác giả của Feldman làm việc tại Đại học Northeastern ở Boston.
Vật chất tối được cho là chỉ tương tác qua lực hấp dẫn và lực điện yếu, nên một trong những ứng cử viên nổi tiếng nhất là cái gọi là các hạt nặng tương tác yếu, hay WMIP. Nhưng trong những năm gần đây, một số nhà nghiên cứu đã bắt đầu nhìn ngược về giả thuyết WMIP nghiêng về những mô hình phức tạp hơn, trước những thí nghiệm mang lại bằng chứng không phù hợp.
Khi hai hạt WMIP hủy nhau, chẳng hạn, chúng sẽ tạo ra hai boson, các boson này phân hủy thành electron và positron, hoặc thành proton và phản proton. PAMELA, một vệ tinh đang quay xung quanh Trái đất, chỉ chứng kiến một phía của quá trình này – phía electron và positron – cho thấy hoặc là tín hiệu của nó có trục trặc, hoặc là có cái gì đó không phù hợp cho lắm với lí thuyết.
Một lí do để nghĩ lí thuyết đó có thể còn thiếu phát sinh trong dữ liệu thu về từ các thí nghiệm dò tìm trực tiếp, chúng thường tìm kiếm sự giật lùi của các nguyên tử khi WMIP va chạm vào chúng. Trong hàng năm trời, chương trình hợp tác DAMA đặt ở Italy đã khẳng định bằng chứng thuộc loại này, và mới đây các chương trình CDMS-II và CoGeNT đã phất cờ những dấu hiêu trêu ngươi của riêng họ. Nhưng những tín hiệu này không phù hợp với tín hiệu WIMP mà PAMELA nhìn thấy – thật vậy, nếu tín hiệu PAMELA là có thật, thì theo giả thuyết WIMP chuẩn, các thí nghiệm dò tìm trực tiếp sẽ chẳng nhìn thấy gì hết.
Lí thuyết của Feldman, Nath và các đồng sự giải thích làm thế nào PAMELA và các thí nghiệm dò tìm trực tiếp có thể cùng tìm ra bằng chứng cho vật chất tối. Họ đề xuất một loại vật chất tối đa thành phần gồm hai hạt rất khác nhau. Một trong hai hạt này sẽ là một WIMP bình thường – hạt neutralino, như tiên đoán trong các mở rộng siêu đối xứng của Mô hình Chuẩn của vật lí hạt. Neutralino là một hạt "Majorana" (nghĩa là nó có phản hạt riêng của nó) và tạo ra rất ít phản vật chất khi phân hủy, nhưng sẽ tạo ra sự giật lùi hạt nhân trong các thí nghiệm dò tìm trực tiếp.
Hạt còn lại sẽ là một WIMP khu ẩn, khác thường. Phân khu ẩn là một bổ sung cho Mô hình Chuẩn bao gồm các hạt và lực khác nhau được biết là tồn tại hiện nay. Nhóm người Mĩ nghĩ rằng một hạt “Dirac” khu ẩn (có một phản hạt riêng) sẽ có thể phân hủy thành các positron sau khi hủy cặp, nhưng thành các phản proton, và do đó giải thích được tín hiệu PAMELA.
Joe Silk, một nhà vũ trụ học tại Đại học Oxford, Vương quốc Anh, nghĩ rằng nghiên cứu trên là một trong vô số nghiên cứu đã cố gắng giải thích các tín hiệu vật chất tối không phù hợp với nhau, nhưng ông lưu ý rằng nó thật sự có ích ở chỗ có thể kiểm tra. “Bất kì mô hình loại hủy cặp nào phù hợp với dữ liệu PAMELA cũng phải cho một thông lượng lớn các electron và positron năng lượng cao trong vũ trụ sơ khai khi mật độ của vật chất tối cao hơn nhiều so với ngày nay”, ông nói. Điều này sẽ làm “nhuốm bẩn” thời kì sơ khai của vũ trụ khi các electron và proton lần đầu tiên kết hợp thành các nguyên tử hydrogen trung hòa, và do đó sẽ thể hiện như dạng các thăng giáng trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB).
Những thăng giáng như vậy có thể quá nhỏ để gây chú ý với WMAP, vệ tinh cung cấp nhiều thông tin nhất tính cho đến nay về CMB. Nhưng đài thiên văn Palnck, đã phóng lên quỹ đạo hồi năm ngoái, sẽ có thể tìm kiếm chi tiết hơn nhiều. Chỉ khi đó, có vẻ vậy, chúng ta sẽ thu được dấu hiệu xem vật chất tối có phức tạp như Feldman, Nath và những người khác nghĩ hay không.
- Trọng Khương (theo physicsworld.com)
