Làm thế nào để tìm kiếm hạt axion - nền móng của vũ trụ?

Kỳ trước: Cuộc săn lùng hạt axion để giải mã vật chất tối và nguồn gốc vũ trụ

Hạt WIMP giả định rất nặng (gấp hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn lần so với proton) và do đó chúng dễ nảy ra khỏi các nguyên tử như những quả bóng bowling đập vào quả bóng bàn. Hạt axion có nhiều loại; trong đó có những loại có thể thực hiện vai trò của vật chất tối thì nhẹ và về cơ bản hoạt động giống như sóng.

Săn tìm trong phòng thí nghiệm

Với khối lượng quá nhỏ chỉ bằng vài phần triệu electron volt, axion từ lâu đã được coi là ngoài tầm với của thử nghiệm. Nhưng những tiến bộ trong điện toán lượng tử và công nghệ đông lạnh đã khiến việc tìm kiếm axion trở nên khả thi hơn.

Năm 1983, nhà vật lý tại Đại học Florida, Pierre Sikivie đã đề xuất rằng trong một từ trường mạnh, một axion có thể biến thành một photon, hạt truyền ánh sáng. Nhận thức đó đã đặt nền tảng cho các thí nghiệm như tại trung tâm đang cố gắng tạo ra axion bằng từ trường mạnh Axion Dark Matter eXperiment (ADMX).

Nhà vật lý tại Đại học Washington, người phát ngôn của ADMX, Gray Rybka cho biết ngày nay, cách được xác lập nhất để tìm kiếm axion là sử dụng "nam châm lớn nhất, mạnh nhất mà bạn có thể tìm thấy". ADMX được chế tạo xung quanh một nam châm điện siêu dẫn mạnh hơn từ trường Trái đất 100.000 lần, được bao quanh bởi một hộp đồng lớn được làm lạnh đến 0,1 độ K. Khi một axion có kích thước phù hợp xuyên qua khoang từ hóa này, nó sẽ tạo ra một loạt các vi sóng khiến buồng cộng hưởng.

Tiến sĩ Rybka đã so sánh thí nghiệm này với việc dò sóng một đài phát thanh AM: "Từ từ điều chỉnh núm, thay đổi tần số cộng hưởng của hộp và lắng nghe qua tiếng nhiễu cho đến khi bạn tìm thấy kênh mà bạn đang tìm kiếm". Ông cho biết tần số của vi sóng phụ thuộc vào khối lượng của axion.

Nhà vũ trụ học về hạt tại Viện Vật lý lý thuyết Perimeter ở Waterloo, Luna Zagorac so sánh: "Nếu bạn đang chơi ở bãi cát ngoài biển, thì chuyện đó thật là vui", ám chỉ đến việc các nhà lý thuyết khác không có ràng buộc nào khi đề xuất các loại axion mới, đồng thời khẳng định: "Nhưng nếu bạn đang cố gắng tìm một cây kim chôn trong bãi cát đó, thì đúng là mò kim đáy biển. Bạn chỉ biết trông chờ vào may mắn".

Việc mò kim này quả thật không đơn giản. Phải đến năm 2018, sau hơn 20 năm hoạt động, nhóm ADMX mới thông báo rằng thí nghiệm của họ cuối cùng đã đủ tốt để bắt đầu thăm dò các khối lượng hứa hẹn nhất về mặt lý thuyết đối với các axion vật chất tối.

Tiến sĩ Rybka gần đây cho biết: "Bất kỳ ngày nào chúng ta cũng có thể khám phá ra, vì chúng ta chỉ thu hẹp dải điều chỉnh tần số tìm kiếm đó".

Săn tìm trong vũ trụ

Hiện tại, cuộc săn tìm axion có thể chỉ giới hạn trong các phòng thí nghiệm. Nhưng các nhà khoa học cho rằng một ngày nào đó chúng có thể được phát hiện trong không gian bên ngoài. Tiến sĩ Dimopoulos cho biết: "Có một cách mà vật lý thiên văn có thể tạo ra hạt này và thậm chí, có thể tạo ra ngay cả khi đó không phải là vật chất tối".

Các axion có kích thước nhất định có thể hút năng lượng từ các lỗ đen đang quay, trong một quá trình gọi là siêu bức xạ. Điều đó có thể dẫn đến sự thiếu hụt một số lỗ đen có kích thước nhất định được quan sát bởi các máy dò như Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa.

Một nghiên cứu gần đây cho thấy rằng các đám mây axion trong từ quyển của các ngôi sao đang dao động có thể chuyển thành vi sóng, giống như phiên bản ADMX tự nhiên ngoài không gian. Các tín hiệu phát ra từ hiện tượng này sau đó có thể đo được bằng kính viễn vọng vô tuyến trên mặt đất.

Các axion thậm chí có thể được tạo ra bởi mặt trời và đang được tìm kiếm bằng các thí nghiệm như Kính viễn vọng mặt trời Axion của CERN ở Thụy Sĩ.

Về các axion từ mặt trời, nhà nghiên cứu WIMP tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, Aaron Manalaysay cho biết: “Chúng ta không biết liệu chúng có phải là vật chất tối hay không. Nhưng chúng ta biết rằng vũ trụ cho phép hạt này tồn tại”.

Một khả năng hấp dẫn khác, được gọi là vật chất tối mờ, đã thu hút trí tưởng tượng của một số nhà vũ trụ học. Trong một thiên hà, các axion “siêu nhẹ” — với bước sóng dài tới hàng trăm năm ánh sáng — có thể giao thoa với nhau, để lại các sợi và nút nhỏ ở phần có thể nhìn thấy của thiên hà. Nhà vật lý thiên văn tại Đại học Columbia Jeremiah Ostriker là người ủng hộ ý tưởng này.

Nhưng cho đến nay, các axion siêu nhẹ vẫn chưa đáp lại mong chờ của Tiến sĩ Ostriker. Chúng vẫn chưa được tìm thấy, các đặc điểm mờ của chúng quá nhỏ để có thể phân giải bằng kính viễn vọng quang học ngày nay.

Một sai sót trong tất cả các mô hình này là các nhà khoa học đã chủ quan giả định rằng chỉ có một loại vật chất tối trong vũ trụ. Chúng ta gọi vật chất đó là “tối” vì không phát hiện ra chúng chứ không hề biết có bao nhiêu dạng vật chất tối.

Vì vậy, sự hiểu biết của con người hiện tại còn quá nhỏ để đưa ra những kết luận ngoài tầm với. Tiến sĩ Zagorac không chắc chắn rằng các axion — hoặc bất kỳ loại vật chất tối nào — sẽ được phát hiện trong vài chục năm tới, trừ khi gặp vận may.