Một Phương Pháp Tối Giản Trong Sự Tìm Kiếm Vật Chất Tối

Không có điều gì chắc chắn trong cuộc sống ngoại trừ cái chắc chắn nhất là cái chết, thuế và — theo một nhà vật lý có thể thêm vào — giá trị của các hằng số cơ bản. Đây là các lượng, như tốc độ ánh sáng hoặc khối lượng của electron, mà các nhà vật lý đã xác định không thay đổi theo thời gian trong toàn vũ trụ.

Or do they?

Nhà vật lý Dionysios Antypas và đội ngũ của ông đã thiết lập một chiếc laser màu xanh để chiếu qua một bình khí iodine nhỏ tại một phòng thí nghiệm tại Đại học Johannes Gutenberg ở Mainz, Đức. Bằng cách nghiên cứu cẩn thận về sự tương tác của ánh sáng với iodine, Antypas tìm kiếm gợi ý rằng một số hằng số cơ bản đang thay đổi, một cách rất nhỏ, theo thời gian.

“Chúng tôi gọi chúng là ‘hằng số’ — trong dấu ngoặc kép,” Antypas nói.

Đơn giản mà nói, bạn có thể tưởng tượng phân tử iodine như hai nguyên tử được kết nối bởi một lò xo. Bằng cách chiếu ánh sáng lên các nguyên tử ở đúng tần số hoặc màu sắc, hai nguyên tử hấp thụ ánh sáng để rung lên và xuống. Antypas điều chỉnh màu sắc của laser để tìm tần số này, phụ thuộc vào một số hằng số cơ bản: khối lượng của hạt nhân nguyên tử iodine, khối lượng của electron và sức mạnh của tương tác giữa điện tích và trường điện từ, được biết đến là hằng số cấu trúc tinh tế. Bằng cách đo các thuộc tính của ánh sáng mà phân tử hấp thụ, Antypas có thể xác định xem các hằng số cơ bản có thay đổi hay không.

Để chắc chắn, đội ngũ của Antypas chưa phát hiện ra sự thay đổi của các hằng số cơ bản. Nhưng trong một bài báo được xuất bản trên Physical Review Letters vào tháng 7 này, họ báo cáo về việc nhiều hằng số thực sự không thay đổi như thế nào. Họ cùng với đội ngũ khác tại Đại học Heinrich Heine Düsseldorf, họ phát hiện nếu khối lượng của electron có thay đổi, nó dao động ít hơn 1 phần trăm trong 100 nghìn tỉ, và khối lượng của hạt nhân nguyên tử iodine ít hơn 1 trong 10 nghìn tỉ. Ngoài ra, bất kỳ biến động nào trong hằng số cấu trúc tinh tế đều dưới 1 phần trong 100 nghìn tỉ, Antypas nói.

Đội ngũ tìm kiếm các biến động trong các hằng số cơ bản để tìm kiếm vật chất tối, một chất liệu bí ẩn mà các nhà vật lý ước lượng chiếm 85% khối lượng trong vũ trụ. Năm 1933, nhà thiên văn học Thụy Sĩ Fritz Zwicky quan sát các thiên hà có vẻ quay nhanh hơn so với khối lượng có thể nhìn thấy được của chúng. Ở những tốc độ đó, trọng lực đặt ra rằng các thiên hà nên tan ra, giống như bột bánh xốp trên máy đánh trứng. Ông giả thiết rằng các thiên hà được giữ lại bằng một loại vật liệu vô hình, giờ được gọi là vật chất tối.

Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã thực hiện nhiều quan sát khác nhau hỗ trợ sự tồn tại của vật chất tối. “Thực sự chúng ta biết mật độ vật chất tối [gần Trái Đất] với một hệ số ba, từ tác động của nó về mặt trọng lực,” nói Julia Gehrlein của Brookhaven National Laboratory, người không liên quan đến thí nghiệm. “Chúng ta chỉ không biết vật chất tối được tạo ra từ cái gì.”

Lý thuyết vật lý dự đoán rằng một số loại vật chất tối được giả định tương tác với electron và các hạt khác để làm cho một số hằng số cơ bản dao động theo thời gian. Nhưng vì đội ngũ không tìm thấy bất kỳ biến động nào, họ có thể loại bỏ các hạt vật chất tối có các đặc tính cụ thể về khối lượng. Kết quả của họ nhất quán với các kết quả của các thí nghiệm khác, Gehrlein nói.

Đặc biệt, đội ngũ của Antypas sử dụng thí nghiệm của họ để tìm kiếm một lớp vật chất tối được biết đến là vật chất tối siêu nhẹ. Ở trọng lượng lớn nhất, một hạt vật chất tối siêu nhẹ vẫn nhẹ khoảng một triệu lần so với electron. Theo cơ học lượng tử, tất cả vật chất đều có tính chất giống như hạt và giống như sóng, với các vật thể lớn thường chứa đựng nhiều tính chất giống như hạt hơn và các vật thể nhỏ hơn có nhiều tính chất giống như sóng. ​​”Khi mọi người nói về vật chất tối siêu nhẹ, họ muốn nói rằng vật chất tối giống như một sóng,” nói nhà vật lý Kathryn Zurek của Viện Công nghệ California, người không tham gia vào thí nghiệm.

Giống như tất cả các thí nghiệm vật chất tối khác cho đến nay, sự tìm kiếm của Antypas chưa tìm thấy gì cả. Tuy nhiên, việc họ không phát hiện ra một điều gì đó giúp hạn chế các đặc tính của vật chất tối, vì thí nghiệm chỉ ra điều gì vật chất tối không phải là. Ngoài ra, phương pháp của đội ngũ khác biệt so với các thí nghiệm vật chất tối nổi tiếng hơn, những thí nghiệm tìm kiếm các hạt được biết đến là WIMPs (đó là hạt vật chất lớn giao tiếp yếu). Những thí nghiệm này thường bao gồm sự hợp tác của 100 nhà khoa học trở lên, và các bộ cảm biến đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật đặc biệt. Ví dụ, bộ cảm biến LZ ở South Dakota chứa 7 tấn xenon lỏng, một nguyên tố hiếm gặp được tìm thấy trong khí quyển dưới 1 phần trăm trong 10 triệu. Để che chắn bộ cảm biến khỏi bức xạ không mong muốn, các nhà vật lý đặt chúng trong các phòng thí nghiệm sâu trong núi hoặc dưới lòng đất trong các mỏ đá cũ.

Ngược lại, toàn bộ thí nghiệm của Antypas nằm trên một chiếc bàn và sự hợp tác của ông gồm 11 nhà khoa học. Tìm kiếm vật chất tối thực sự chỉ là một dự án phụ cho phòng thí nghiệm của ông. Họ thường sử dụng thiết bị để nghiên cứu lực hạt nhân yếu trong nguyên tử, là nguyên nhân của sự phân rã phóng xạ. “Điều này là một dự án nhanh chóng và thú vị đối với chúng tôi,” Antypas nói. “Chúng tôi sử dụng những phương pháp này cho các ứng dụng khác.” So với các bộ cảm biến WIMP, các thí nghiệm trên bàn là đơn giản và hiệu quả chi phí, Gehrlein nói.

Trong thập kỷ gần đây, các phương pháp tiếp cận trên bàn làm việc này đã trở nên ngày càng phổ biến trong việc tìm kiếm vật chất tối, Zurek nói. Các nhà vật lý, người đầu tiên phát triển các công cụ siêu chính xác và máy laser để nghiên cứu và kiểm soát các nguyên tử và phân tử duy nhất, đã tìm cách sử dụng máy móc mới của họ một cách sáng tạo hơn. “Nhiều người chuyển sang lĩnh vực này, không phải là chuyên môn chính của họ, mà là một cách tìm kiếm ứng dụng sáng tạo mới cho các đo lường của họ,” Zurek nói. “Họ có thể tái chế thí nghiệm của mình để tìm kiếm vật chất tối.”

Trong một ví dụ đáng chú ý, các nhà vật lý chuyển đổi đồng hồ nguyên tử để tìm kiếm vật chất tối thay vì giữ thời gian. Những máy chính xác này, không mất hoặc thêm vào một giây trong hàng triệu năm, phụ thuộc vào cấp năng lượng của nguyên tử, được xác định từ tương tác giữa hạt nhân và electron của chúng phụ thuộc vào các hằng số cơ bản. Tương tự như thí nghiệm của Antypas, những nhà nghiên cứu này tìm kiếm vật chất tối bằng cách đo chính xác cấp năng lượng của các nguyên tử, để tìm kiếm sự thay đổi trong giá trị của các hằng số cơ bản. (Họ không tìm thấy bất kỳ thay đổi nào.)

Tuy nhiên, những thí nghiệm tương đối giản dị này sẽ không thay thế các thí nghiệm vật chất tối truyền thống hơn, vì hai loại này nhạy cảm với các loại vật chất tối giả tưởng khác nhau — và khối lượng khác nhau. Các nhà lý thuyết đã giả định một loạt các hạt vật chất tối có khối lượng biến động hơn 75 bậc số, Gehrlein nói. Ở trọng lượng nhẹ nhất, các hạt có thể nhẹ hơn nhiều lần so với electron thậm chí là vật chất tối siêu nhẹ mà Antypas đang tìm kiếm. Ứng cử viên vật chất tối nặng nhất thực sự là các đối tượng thiên văn với kích thước như lỗ đen.

Thật đáng tiếc cho các nhà vật lý, thí nghiệm của họ không đưa ra bất kỳ gợi ý nào khiến một dải khối lượng trở nên có khả năng hơn những dải khác. “Điều này cho chúng ta biết chúng ta phải tìm ở mọi nơi,” Gehrlein nói. Với ít dẫn, những người săn vật chất tối cần tất cả sự hỗ trợ có thể có.