Tiếp Cận Tối Giản Trong Việc Tìm Kiếm Vật Chất Tối

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

Hoặc có thể chúng thay đổi không?

Nhà vật lý Dionysios Antypas và đội ngũ của ông đã thiết lập một chiếc laser màu xanh để chiếu qua một bình chứa 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 giữa ánh sáng và iodine, Antypas tìm kiếm những gợi ý rằng một số hằng số cơ bản có thể thay đổi, dù chỉ là một cách rất nhỏ, theo thời gian.

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

Một cách đơn giản, bạn có thể tưởng tượng phân tử iodine như hai nguyên tử nối với nhau bằng một lò xo. Bằng cách chiếu sáng vào nguyên tử với tần số hoặc màu sắc chính xác, hai nguyên tử hấp thụ ánh sáng để rung lên và xuống. Antypas điều chỉnh màu 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 điện 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 được sự thay đổi của các hằng số cơ bản. Nhưng trong một bài báo được xuất bản trong Physical Review Letters vào tháng 7, họ báo cáo về mức độ không đổi của một số hằng số. Hợp tác với đội ngũ khác tại Đại học Heinrich Heine Düsseldorf, họ phát hiện nếu khối lượng của electron thay đổi, nó biến động dưới 1 phần trong 100 nghìn tỷ, và khối lượng của hạt nhân nguyên tử iodine thay đổi dưới 1 phần trong 10 nghìn tỷ. Ngoài ra, bất kỳ biến động nào trong hằng số cấu trúc tinh tế đều dưới 1 phần trong 100 nghìn tỷ, theo Antypas.

Đội ngũ tìm kiếm sự 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 chất hiển thị của chúng cho phép. Ở những tốc độ đó, trọng lực quy định rằng các thiên hà nên tan ra, giống như bột pancake đánh bát tay. Ông đặt giả thuyết rằng các thiên hà được giữ lại bằng một loại vật liệu vô hình, người ta 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. “Chúng tôi thực sự biết về mật độ vật chất tối [gần Trái Đất] với một tỷ số ba, dựa vào ảnh hưởng của nó về mặt trọng lực,” Julia Gehrlein của Brookhaven National Laboratory nói, người không tham gia thí nghiệm. “Chúng tôi chỉ không biết vật chất tối được tạo ra từ gì.”

Lý thuyết vật lý dự đoán rằng một số loại vật chất tối được giả thuyết tương tác với electron và các hạt khác để gây ra sự biến động của một số hằng số cơ bản theo thời gian. Nhưng vì đội ngũ không phát hiện bất kỳ biến động nào, họ có thể loại trừ các hạt vật chất tối có các thuộc tính cụ thể của một khối lượng nhất định. Kết quả của họ nhất quán với các kết quả của các thí nghiệm khác, theo Gehrlein nói.

Cụ thể, nhóm của Antypas sử dụng thí nghiệm của họ để tìm kiếm một loại vật chất tối được biết đến là vật chất tối siêu nhẹ. Ở mức nặng nhất, một hạt vật chất tối siêu nhẹ vẫn nhẹ hơn khoảng một triệu tỷ lần so với một electron. Theo cơ học lượng tử, tất cả vật chất đều có tính chất giống như hạt và giống như sóng, với các đối tượng lớn thường chứa nhiều tính chất giống hạt hơn và những đối tượng nhỏ hơn chứa nhiều tính chất giống như sóng hơn. ​​”Khi người ta nói về vật chất tối siêu nhẹ, họ muốn nói rằng vật chất tối giống như một làn sóng,” Kathryn Zurek, nhà vật lý tại Viện Công nghệ California, nói, người không tham gia thí nghiệm.

Giống như tất cả các thí nghiệm vật chất tối khác nhau cho đến nay, tìm kiếm của Antypas chưa phát hiện được điều gì. Tuy nhiên, sự thiếu vắng của một phát hiện giúp hạn chế các đặc tính của vật chất tối, vì thí nghiệm cho thấy vật chất tối không phải là gì. Ngoài ra, phương pháp của nhóm có sự khác biệt so với các thí nghiệm vật chất tối nổi tiếng hơn, mà tìm kiếm các hạt được biết đến là WIMPs (đó là các hạt có tương tác yếu và khối lượng lớn). Những thí nghiệm thường liên quan đến sự hợp tác của 100 nhà khoa học trở lên, và các cảm biến yêu cầu kỹ thuật kỹ thuật số dramatique. Ví dụ, cảm biến LZ ở South Dakota chứa 7 tấn xenon lỏng, một nguyên tố hiếm gặp được tìm thấy trong khí quyển với tỷ lệ dưới 1 phần trong 10 triệu. Để bảo vệ cảm biến khỏi tác động phóng 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 già.

Ngược lại, cả thí nghiệm của Antypas chỉ cần một bàn làm việc, và đội ngũ 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, đó là lực gây ra sự phân rã phóng xạ. “Điều này là một việc nhanh chóng và thú vị cho chúng tôi,” Antypas nói. “Chúng tôi sử dụng những phương pháp này cho các ứng dụng khác.” So với cảm biến WIMP, các thí nghiệm trên bàn làm việc đơn giản và hiệu quả chi phí, theo 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, theo Zurek nói. Các nhà vật lý, người đầu tiên phát triển công cụ và laser siêu chính xác để nghiên cứu và kiểm soát từng nguyên tử và phân tử, đã tìm kiếm thêm cách sử dụng máy móc mới của họ. “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 phép đo của họ,” Zurek nói. “Họ có thể chuyển hướng lại thí nghiệm của mình để tìm kiếm vật chất tối.”

Trong một ví dụ đáng chú ý, các nhà vật lý đã chuyển hướng đồng hồ nguyên tử để tìm kiếm vật chất tối thay vì giữ thời gian. Những chiếc máy chính xác này, không mất hoặc thêm vào một giây trong hàng triệu năm, dựa vào mức năng lượng của nguyên tử, được xác định từ sự 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 mức 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 tối giản này sẽ không thay thế những thí nghiệm vật chất tối truyền thống hơn, vì hai loại này nhạy cảm với các loại vật chất tối giả định khác nhau—và khối lượng—của vật chất tối. Các nhà lý thuyết đã giả định một loạt các hạt vật chất tối có khối lượng biến động hơn 75 bậc số, theo Gehrlein nói. Ở cực nhẹ nhất, các hạt có thể nhẹ hơn nhiều lần so với cả vật chất tối siêu nhẹ mà Antypas đang tìm kiếm. Các ứng viên vật chất tối nặng nhất thực sự là các đối tượng thiên văn lớn như lỗ đen. 

Thật đáng tiếc cho các nhà vật lý, các thí nghiệm của họ không mang lại bất kỳ gợi ý nào khiến một khoảng khối lượng trở nên có khả năng hơn các khoảng khối lượng khác. “Điều này nói 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 mà họ có thể có.