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

Nhưng axion có thể tạo nên hầu hết vật chất trong vũ trụ của chúng ta, tạo thành bộ xương vô hình của các thiên hà. Việc xác nhận sự tồn tại của chúng sẽ làm đảo lộn một số lý thuyết sâu sắc nhất về tự nhiên.

Nhà vật lý tại Đại học Washington, người phát ngôn của Axion Dark Matter eXperiment (viết tắt ADMX), Gray Rybka cho biết: "Trong gần 10 năm, chúng tôi đã hoạt động trong chế độ tìm kiếm và bất kỳ ngày nào chúng tôi cũng có thể khám phá ra điều gì đó”. ADMX là nơi đang cố gắng tạo ra axion bằng từ trường mạnh.

Các nhà thiên văn học cũng đang săn lùng những manh mối về sự tồn tại của axion, bằng cách phân tích cách các lỗ đen quay và hình dạng của các thiên hà sơ sinh mà Kính viễn vọng không gian James Webb đã ghi nhận. Nhưng cho đến nay, chưa ai tìm thấy chúng.

Thành công sẽ cung cấp một manh mối lớn cho một trong những bí ẩn lớn nhất trong vũ trụ: Vũ trụ được tạo thành từ gì?

Hàng chục năm săn lùng thứ không thể thấy

Các nhà thiên văn học sau thời gian dài theo dõi chuyển động của các ngôi sao và thiên hà đã buộc phải kết luận rằng vũ trụ còn nhiều điều hơn những gì có thể nhìn thấy trực tiếp bằng kính viễn vọng. Vật chất thông thường tạo nên các ngôi sao, hành tinh, thiên hà và cả chúng ta chỉ chiếm một phần sáu lượng vật chất trong vũ trụ. Phần còn lại được gọi là vật chất tối, vô hình và xa lạ nhưng có lực hấp dẫn đủ để giữ cho vũ trụ hữu hình như hiện nay.

Vô số hạt đã được đưa ra giả thuyết là ứng cử viên cho vật chất tối. Nhưng phổ biến nhất là những hạt lấp đầy khoảng trống trong Mô hình chuẩn. Mặc dù không hoàn hảo nhưng đây lại là mô hình tốt nhất của loài người về bản chất vũ trụ và các lực thúc đẩy nó.

Trong nhiều chục năm, các nhà khoa học đã đặt cược hy vọng và ước mơ phát hiện vật chất tối của họ vào các hạt lớn tương tác yếu, được tạm gọi là WIMP. Theo giả thiết, WIMP được cho là vô hình, tương tác với vũ trụ chủ yếu thông qua lực hấp dẫn và nặng gấp hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn lần so với proton. Theo thang đo hạ nguyên tử, WIMP được coi là nặng và đồng thời, chúng cũng chậm hơn so với tốc độ ánh sáng.

Các hạt như vậy chính là thứ mà các nhà vũ trụ học cần để lấp đầy vũ trụ của họ. Nhà vũ trụ học về hạt tại Viện Vật lý lý thuyết Perimeter ở Waterloo, Luna Zagorac giải thích: "WIMP chỉ là giả định vì WIMP ảo diệu như phép màu. Mọi người đều muốn phép màu là sự thật".

Hàng triệu USD đã được chi ra để xây dựng các máy dò ngày càng lớn hơn và chính xác hơn ở sâu dưới lòng đất hoặc trên sườn núi với hy vọng tìm thấy WIMP. Nhưng các cuộc tìm kiếm của Thí nghiệm Vật chất tối LZ, Máy va chạm Hadron siêu lớn tại CERN và các máy dò khác vẫn tiếp tục không thành công. Điều đó cho thấy thứ hạt khó nắm bắt này nằm ngoài tầm với của thử nghiệm, ít nhất là trong tương lai gần.

Có lẽ đã đến lúc cần có Kế hoạch B, một số nhà khoa học cho biết. Nhà vật lý thiên văn tại Đại học Yale, Priyamvada Natarajan cho biết: "Vì chúng ta đã không tìm thấy gì sau nhiều thập niên tìm kiếm, việc bắt đầu tìm kiếm xa hơn có vẻ khá tự nhiên". Natarajan cho rằng rằng axion "là một ứng cử viên mà bản thân thấy hấp dẫn".

Axion hợp lý hơn WIMP

Bản chất của vật chất tối đã được xem xét kỹ lưỡng hơn khi các nhà khoa học tìm hiểu thêm về vũ trụ sơ khai, khi những ngôi sao đầu tiên xuất hiện từ mảnh vụn của Vụ nổ lớn. Có vẻ như các thiên hà đầu tiên quá lớn, quá sáng và nhiều hơn so với dự đoán của các lý thuyết dựa trên WIMP.

Axion, nếu chúng tồn tại, có thể đưa ra lời giải thích. Các lý thuyết hiện tại không dự đoán được khối lượng của chúng, chỉ dự đoán rằng axion hầu như không tương tác với vật chất và khó bị bắt gặp khi đang hoạt động.

Axion lần đầu tiên được đề xướng vào năm 1977, khi một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học California, Los Angeles là và một nhà vật lý hạt nhân tại Đại học Stanford là Helen Quinn đề xuất một sửa đổi nhỏ đối với lý thuyết chi phối các lực hạt nhân mạnh. Sự điều chỉnh này sẽ giải thích tại sao hạt neutron trung hòa về điện, trong khi đáng ra chúng phải như vậy theo Mô hình Chuẩn.

Tiến sĩ Rybka nói: "Bất cứ khi nào một lý thuyết dự đoán điều gì đó bị chứng minh sai sót, chúng tôi cũng phấn khích. Đó là một dịp tuyệt vời để tìm kiếm lý thuyết vật lý mới".

Nhà vật lý lý thuyết tại Viện nghiên cứu Massachusett là Frank Wilczek và đồng nghiệp tại Đại học Texas là Steven Weinberg trong quá trình nghiên cứu độc lập, đều nhận ra rằng sửa đổi của Peccei-Quinn ngụ ý sự tồn tại của một hạt mới. Tiến sĩ Wilczek đặt tên cho nó là axion.

Trong một bài luận trên Tạp chí Quanta năm 2016, Tiến sĩ Wilczek viết: "Vài năm trước, một siêu thị trưng bày các hộp bột giặt màu sắc rực rỡ có tên là Axion đã thu hút sự chú ý của tôi. Tôi nhận ra rằng ‘axion’ nghe giống như tên của một loại hạt và thực sự là thế”.

Tiến sĩ Wilczek và những người khác cũng nhận ra rằng, giống như WIMP, các axion có khối lượng nhất định, có nhiều đặc tính cần thiết cho vật chất tối. Chúng sẽ phải nặng chỉ bằng vài phần triệu electron volt, đơn vị khối lượng và năng lượng mà các nhà vật lý hạt ưa chuộng. (Để so sánh, các electron trong điện thoại thông minh của bạn nặng khoảng nửa triệu electron volt mỗi hạt hay cụ thể là E = 1 eV tương đương với khối lượng m=1eV/c2 = 1,8.10−36 kg)

Tuy nhiên, về mặt lý thuyết, các axion và các hạt "giống axion" có thể có bất kỳ kích thước hoặc khối lượng nào. Các loại khác nhau có thể đóng vai trò của vật chất tối liên kết các thiên hà, làm biến dạng nền vi sóng vũ trụ lấp đầy không gian bằng bức xạ còn sót lại từ Vụ nổ lớn hoặc thậm chí góp phần vào cái gọi là năng lượng tối khiến vũ trụ giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh hơn.

Lý thuyết dây được ca ngợi là lý thuyết cho vạn vật dù cho đến nay vẫn chưa thể kiểm chứng. Lý thuyết này cũng chứa đầy các hạt giống axion. Nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Stanford Savas Dimopoulos cho biết, việc phát hiện ra nhiều hơn một loại axion có thể cấu thành bằng chứng thực nghiệm đầu tiên của lý thuyết dây.