Một Công Cụ Mới để Tìm Hiểu Về Vật Chất Tối Không Đào Thải Gì Cả

Ngay cả những cơn sóng hấp dẫn mạnh nhất đi qua hành tinh, được tạo ra từ sự va chạm xa xôi của các hố đen, chỉ làm co giãn và nén mỗi dặm bề mặt của Trái Đất một phần nghìn độ kích thước của một nguyên tử. Khó có thể tưởng tượng được những sóng nhỏ này trong cấu trúc của thời gian không gian là nhỏ như thế nào, chưa kể đến việc phát hiện chúng. Nhưng vào năm 2016, sau khi các nhà vật lý đã dành hàng thập kỷ xây dựng và điều chỉnh một công cụ gọi là Trạm Quan sát Sóng Hấp Dẫn bằng Laser (LIGO), họ đã có được một cái.

Với gần 100 sóng hấp dẫn được ghi lại, bức tranh về các hố đen vô hình đang mở ra. Nhưng đó chỉ là một phần của câu chuyện.

Các bộ cảm biến sóng hấp dẫn đang có những công việc phụ khác nhau.

“Mọi người đã bắt đầu đặt câu hỏi: ‘Có lẽ có nhiều hơn những gì chúng ta có được từ những chiếc máy này ngoài sóng hấp dẫn không?’” nói Rana Adhikari, một nhà vật lý tại Viện Công nghệ California.

Được truyền cảm hứng từ sự nhạy cảm cực kỳ của những bộ cảm biến này, các nhà nghiên cứu đang nghĩ ra cách sử dụng chúng để tìm kiếm các hiện tượng khác khó nắm bắt: đặc biệt là về vật chất tối, chất liệu không phát sáng giữ các thiên hà lại với nhau.

Trong tháng 12, một đội ngũ do Hartmut Grote của Đại học Cardiff dẫn đầu đã báo cáo trên tạp chí Nature rằng họ đã sử dụng một bộ cảm biến sóng hấp dẫn để tìm kiếm vật chất tối dạng scalar-field, một ứng cử viên ít được biết đến cho khối lượng thiếu sót trong và xung quanh các thiên hà. Đội ngũ không tìm thấy tín hiệu, loại bỏ một lớp mô hình vật chất tối dạng scalar-field lớn. Bây giờ, chất liệu chỉ có thể tồn tại nếu nó tác động lên vật chất bình thường rất yếu — ít nhất là một triệu lần yếu hơn so với điều trước đây được nghĩ là có thể.

“Đó là một kết quả rất tốt,” nói Keith Riles, một nhà thiên văn sóng hấp dẫn tại Đại học Michigan không tham gia vào nghiên cứu.

Cho đến vài năm trở lại, ứng cử viên hàng đầu cho vật chất tối là một hạt di chuyển chậm, tương tác yếu giống như các hạt cơ bản khác—một loại neutrino nặng. Nhưng các tìm kiếm thực nghiệm cho những hạt gọi là WIMPs này tiếp tục không tìm thấy, mở ra khả năng cho vô số sự thay thế.

“Chúng ta đã đạt được giai đoạn trong tìm kiếm vật chất tối nơi chúng ta đang tìm kiếm mọi nơi,” nói Kathryn Zurek, một nhà vật lý lý thuyết tại Caltech.

Năm 1999, ba nhà vật lý đề xuất rằng vật chất tối có thể được tạo ra từ các hạt nhẹ và nhiều đến nỗi chúng tốt nhất nên được xem xét cộng đồng, như một lĩnh vực năng lượng xâm chiếm vũ trụ. Lĩnh vực “scalar” này có một giá trị tại mỗi điểm trong không gian, và giá trị dao động với một tần số đặc trưng.

Vật chất tối dạng scalar-field sẽ tinh tế thay đổi các đặc tính của các hạt và lực cơ bản khác. Ví dụ, khối lượng của electron và sức mạnh của lực điện từ, sẽ dao động theo biên độ dao động của lĩnh vực scalar.

Trong nhiều năm, các nhà vật lý đã tự hỏi liệu bộ cảm biến sóng hấp dẫn có thể phát hiện được một sự lệch nhỏ như vậy. Những bộ cảm biến này cảm nhận các rối loạn nhỏ bằng một phương pháp gọi là nối suy. Trước hết, ánh sáng laser đi vào một “kính chia tia sáng,” chia ánh sáng, gửi tia sáng theo hai hướng vuông góc với nhau, giống như hai cánh của một chữ L. Các tia phản xạ từ gương ở hai đầu của cả hai cánh, sau đó quay lại khớp của chữ L và kết hợp lại. Nếu các tia laser trở lại đã bị đẩy ra khỏi đồng bộ — ví dụ, bởi một sóng hấp dẫn đi qua, làm dài tạm thời một cánh của bộ nối suy trong khi co lại cánh kia — một mô hình nhiễu sáng tối xuất hiện.

Liệu vật chất tối dạng scalar-field có thể đẩy các tia ra khỏi đồng bộ và gây ra một mô hình nhiễu sáng tối? “Quan điểm phổ biến,” Grote nói, là bất kỳ biến dạng nào sẽ ảnh hưởng đều cả hai cánh, hủy bỏ nhau. Nhưng sau đó vào năm 2019, Grote đã nhận ra. “Một buổi sáng, tôi thức dậy và ý tưởng đột ngột đến với tôi: Kính chia tia sáng chính là điều chúng ta cần.”

Kính chia tia sáng là một khối thủy tinh hoạt động như một gương rò rỉ, phản xạ, trung bình, nửa ánh sáng đánh vào bề mặt của nó, trong khi nửa còn lại đi qua. Nếu vật chất tối dạng scalar-field hiện diện, thì mỗi khi lĩnh vực đạt đến biên độ đỉnh của nó, sức mạnh của lực điện từ giảm; Grote nhận ra rằng điều này sẽ làm cho các nguyên tử trong khối thủy tinh co lại. Khi biên độ của lĩnh vực giảm, khối thủy tinh sẽ mở rộng. Sự lệch nhỏ này sẽ di chuyển một cách tinh tế khoảng cách đã đi của ánh sáng phản xạ mà không ảnh hưởng đến ánh sáng truyền qua; do đó, một mô hình nhiễu sáng tối sẽ xuất hiện.

Với sự hỗ trợ của máy tính, Sander Vermeulen, sinh viên sau đại học của Grote, tìm kiếm qua dữ liệu từ bộ cảm biến sóng hấp dẫn GEO600 tại Đức để tìm mẫu nhiễu sáng tối do một số triệu tần số khác nhau của vật chất tối dạng scalar-field tạo ra. Anh ta không thấy gì. “Điều đó làm thất vọng, vì nếu bạn tìm thấy vật chất tối, đó sẽ là khám phá của hàng thập kỷ,” Vermeulen nói.

Nhưng cuộc tìm kiếm này chỉ từng là “một cuộc dãn cảm,” Zurek nói. Tần số của lĩnh vực scalar và sức mạnh của tác động của nó lên các hạt khác (và do đó kính chia tia sáng) có thể là bất cứ điều gì. GEO600 chỉ phát hiện một dải tần số cụ thể.

Vì lý do này, việc không tìm thấy vật chất tối dạng scalar-field với bộ cảm biến GEO600 không loại trừ sự tồn tại của nó. “Điều này chỉ là một chứng minh rằng chúng ta có một công cụ mới để tìm kiếm vật chất tối,” Grote nói. “Chúng ta sẽ tiếp tục tìm kiếm.” Anh cũng dự định sử dụng nối suy để tìm kiếm axions, một ứng viên vật chất tối phổ biến khác.

Trong khi đó, Riles và đồng nghiệp của ông đã tìm kiếm dấu hiệu của “photon tối” trong dữ liệu từ LIGO, có bộ cảm biến ở Livingston, Louisiana, và Hanford, Washington, và đối tác của nó, bộ cảm biến Virgo gần Pisa, Italy. Photon tối là các hạt giả tưởng giống như ánh sáng có thể tương tác chủ yếu với các hạt vật chất tối khác nhưng đôi khi va chạm vào nguyên tử bình thường. Nếu chúng xung quanh chúng ta, thì tại bất kỳ thời điểm nào, chúng sẽ tình cờ đẩy một gương trong bộ nối suy nhiều hơn gương kia, thay đổi độ dài tương đối của cả hai cánh. “Sẽ có xu hướng mất cân bằng theo một hướng, chỉ là một dao động ngẫu nhiên,” Riles nói. “Vì vậy, bạn cố gắng tận dụng điều đó.”

Bước sóng của photon tối có thể rộng như mặt trời, vì vậy bất kỳ dao động ngẫu nhiên nào làm xáo trộn gương của bộ nối suy ở Hanford sẽ có cùng hiệu ứng ở bộ cảm biến Livingston, cách xa gần 5.000 km, và ảnh hưởng tương quan ở Pisa. Nhưng các nhà nghiên cứu không tìm thấy sự tương quan đó trong dữ liệu. Kết quả của họ, được báo cáo năm ngoái, có nghĩa là nếu photon tối có thật, chúng phải ít nhất là yếu hơn ít nhất 100 lần so với trước đây.

Adhikari đề xuất rằng các bộ cảm biến sóng hấp dẫn có thể thậm chí phát hiện các hạt vật chất tối “cỡ người” nặng hàng trăm kilôgam. Khi những hạt nặng này bay qua bộ cảm biến, chúng sẽ thu hút chúng của gương và tia laser của LIGO theo lực hấp dẫn. “Bạn sẽ thấy một chút nhấp nháy trong công suất của tia khi hạt bay qua,” Adhikari nói. “Toàn bộ bộ cảm biến hình chữ L là một loại lưới có thể bắt được những hạt này.”

Các công cụ nhạy cảm này còn có thể bắt được gì nữa? Adhikari đang phát triển một bộ nối suy mới tại Caltech để tìm kiếm dấu hiệu cho việc không gian thời gian được đặc điểm hóa, như một số lý thuyết lượng tử về trọng lực giả định. “Đó luôn là giấc mơ của các nhà vật lý. Liệu chúng ta có thể đo lường trọng lực lượng tử trong phòng thí nghiệm không?” Khả năng thông thường nói rằng một bộ cảm biến có khả năng kiểm tra những khoảng cách nhỏ như vậy sẽ rất lớn, đến mức nó sẽ sụp đổ thành một lỗ đen dưới trọng lượng của nó. Tuy nhiên, Zurek đang làm việc trên một ý tưởng có thể làm cho trọng lực lượng tử có thể phát hiện được với thiết bị của Adhikari hoặc một thí nghiệm khác tại phòng thí nghiệm của Grote ở Cardiff.

Trong các lý thuyết khác về trọng lực lượng tử, không gian thời gian không phải là đặc điểm hóa thành pixel; thay vào đó, đó là một hình ảnh 3D mà nảy sinh ra từ một hệ thống 2D của các hạt lượng tử. Zurek nghĩ rằng điều này cũng có thể được phát hiện bằng cách sử dụng các bộ cảm biến sóng hấp dẫn. Dao động nhỏ trong không gian 2D sẽ được khuếch đại khi được chiếu hình ảnh vào 3D, có thể tạo ra sóng trong không gian thời gian đủ lớn để một bộ nối suy có thể bắt được.

“Khi chúng tôi bắt đầu làm việc này, mọi người nói: ‘Bạn đang nói gì vậy? Bạn hoàn toàn điên rồ,’” Zurek nói. “Bây giờ mọi người đang bắt đầu lắng nghe.”

Bài viết gốc được tái bản với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ báo độc lập biên tập về nội dung của Simons Foundation với nhiệm vụ tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học thông qua việc báo cáo về các phát triển và xu hướng nghiên cứu trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và sinh học.

Những điều tuyệt vời khác từ Mytour

• 📩 Cập nhật tin tức về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa: Đăng ký nhận bản tin của chúng tôi!
• Đua nhau để xây dựng rạn san hô của thế giới
• Có phải có một tốc độ lái xe tối ưu giúp tiết kiệm xăng?
• Khi Nga lên kế hoạch bước tiếp tiếp theo, một trí tuệ nhân tạo lắng nghe
• Làm thế nào để học ngôn ngữ ký hiệu trực tuyến
• NFT là cơn ác mộng về quyền riêng tư và an ninh
• 👁️ Khám phá Trí tuệ Nhân tạo như chưa bao giờ có với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có những công cụ tốt nhất để duy trì sức khỏe? Kiểm tra lựa chọn của đội ngũ Gear của chúng tôi cho bộ theo dõi sức khỏe, đồ chạy bộ (bao gồm giày và tất), và tai nghe tốt nhất