Các nhà khoa học Australia đang có những bước tiến trong việc giải quyết một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ: bản chất của vật chất tối vô hình.
Thí nghiệm ORGAN, máy phát hiện vật chất tối lớn đầu tiên của Úc, gần đây đã hoàn thành việc tìm kiếm một hạt giả định được gọi là axion - một ứng cử viên phổ biến trong số các lý thuyết cố gắng giải thích vật chất tối.
ORGAN đã đặt ra những giới hạn mới về các đặc điểm có thể có của axion và do đó giúp thu hẹp tìm kiếm chúng. Nhưng trước khi chúng ta vượt lên chính mình…
Hãy bắt đầu với một câu chuyện
Khoảng 14 tỷ năm trước, tất cả các mảnh vật chất nhỏ - những hạt cơ bản mà sau này trở thành bạn, hành tinh và thiên hà - đã bị nén lại thành một vùng nóng, rất dày đặc.
Sau đó, Vụ nổ lớn xảy ra và mọi thứ tan tành. Các hạt kết hợp thành nguyên tử, cuối cùng kết tụ lại với nhau để tạo thành các ngôi sao, phát nổ và tạo ra tất cả các loại vật chất kỳ lạ.
Sau một vài tỷ năm, Trái đất đã xuất hiện, cuối cùng đã thu thập được những thứ nhỏ bé được gọi là con người. Câu chuyện hay ho phải không? Hóa ra nó không phải là toàn bộ câu chuyện; nó thậm chí không phải một nửa.
Con người, hành tinh, ngôi sao và thiên hà đều được cấu tạo từ vật chất thông thường. Nhưng chúng ta biết vật chất thông thường chỉ chiếm một phần sáu tổng số vật chất trong vũ trụ.
Phần còn lại được tạo ra từ thứ mà chúng ta gọi là vật chất tối. Tên của nó cho bạn biết hầu hết mọi thứ chúng ta biết về nó. Nó không phát ra ánh sáng (vì vậy chúng ta gọi nó là bóng tối), và nó có khối lượng (vì vậy chúng ta gọi nó là vật chất).
Nếu nó vô hình, làm sao chúng ta biết nó ở đó?
Khi chúng ta quan sát cách mọi thứ di chuyển trong không gian, chúng ta lặp đi lặp lại rằng chúng ta không thể giải thích những quan sát của mình nếu chúng ta chỉ xem xét những gì chúng ta có thể nhìn thấy.
Các thiên hà quay tròn là một ví dụ tuyệt vời. Hầu hết các thiên hà quay với tốc độ không thể giải thích bằng lực hấp dẫn chỉ từ vật chất nhìn thấy được.
Vì vậy, phải có vật chất tối trong các thiên hà này, cung cấp thêm lực hấp dẫn và cho phép chúng quay nhanh hơn — mà các bộ phận không bị văng ra ngoài không gian. Chúng tôi nghĩ vật chất tối giữ các thiên hà lại với nhau theo đúng nghĩa đen.
Vì vậy, phải có một lượng vật chất tối khổng lồ trong vũ trụ, kéo theo tất cả những thứ chúng ta có thể nhìn thấy. Nó cũng đi qua bạn, giống như một loại ma vũ trụ nào đó. Bạn chỉ không thể cảm thấy nó.
Làm thế nào chúng ta có thể phát hiện ra nó?
Nhiều nhà khoa học tin rằng vật chất tối có thể được cấu tạo bởi các hạt giả định được gọi là axion. Axion ban đầu được đề xuất như một phần của giải pháp cho một vấn đề lớn khác trong vật lý hạt được gọi là vấn đề CP mạnh (chúng ta có thể viết cả một bài về nó).
Dù sao, sau khi axion được đề xuất, các nhà khoa học nhận ra rằng hạt này cũng có thể tạo nên vật chất tối trong những điều kiện nhất định. Đó là bởi vì các axion được cho là có tương tác rất yếu với vật chất thông thường, nhưng vẫn có một số khối lượng: hai điều kiện cần thiết cho vật chất tối.
Vì vậy, làm thế nào để bạn đi tìm kiếm axion?
Vì vật chất tối được cho là ở xung quanh chúng ta, nên chúng ta có thể xây dựng các thiết bị dò tìm ngay tại đây trên Trái đất. Và, thật may mắn, lý thuyết dự đoán các axe cũng tiên đoán rằng các axion có thể chuyển đổi thành các photon (hạt ánh sáng) trong các điều kiện thích hợp.
Đây là một tin tốt, bởi vì chúng tôi rất giỏi trong việc phát hiện các photon. Và đây chính xác là những gì ORGAN làm. Nó thiết kế các điều kiện chính xác để chuyển đổi sợi trục-photon và tìm kiếm các tín hiệu photon yếu — những tia sáng nhỏ tạo ra bởi vật chất tối đi qua máy dò.
Loại thí nghiệm này được gọi là kính quầng sáng axion và lần đầu tiên được đề xuất trong 1980s. Có một số ít trên thế giới ngày nay, mỗi một khác nhau một chút theo những cách quan trọng.
Tỏa sáng trên Vật chất Tối
Một sợi trục được cho là chuyển đổi thành một photon khi có từ trường mạnh. Trong một kính hiển vi thông thường, chúng tôi tạo ra từ trường này bằng cách sử dụng một nam châm điện lớn gọi là điện từ siêu dẫn.
Bên trong từ trường, chúng ta đặt một hoặc một số khoang rỗng bằng kim loại, nhằm mục đích bẫy các photon và khiến chúng bật ra xung quanh bên trong, giúp chúng dễ phát hiện hơn.
Tuy nhiên, có một trục trặc. Mọi thứ có nhiệt độ liên tục phát ra những tia sáng nhỏ ngẫu nhiên (đó là lý do tại sao máy ảnh nhiệt hoạt động). Những phát xạ ngẫu nhiên, hoặc tiếng ồn, khiến chúng ta khó phát hiện ra các tín hiệu vật chất tối mờ nhạt mà chúng ta đang tìm kiếm.
Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã đặt bộ cộng hưởng của mình trong tủ lạnh pha loãng. Chiếc tủ lạnh lạ mắt này làm lạnh thí nghiệm đến nhiệt độ đông lạnh, khoảng -273 ° C, giúp giảm đáng kể tiếng ồn.
Thí nghiệm càng lạnh thì chúng ta càng có thể “lắng nghe” tốt hơn các photon mờ tạo ra trong quá trình chuyển đổi vật chất tối.
Nhắm mục tiêu các Khu vực Đại chúng
Một sợi trục có khối lượng nhất định sẽ chuyển đổi thành một photon có tần số hoặc màu sắc nhất định. Nhưng vì khối lượng của axion là không xác định, các thí nghiệm phải nhắm mục tiêu tìm kiếm của chúng đến các vùng khác nhau, tập trung vào những vùng mà vật chất tối được coi là có nhiều khả năng tồn tại hơn.
Nếu không tìm thấy tín hiệu vật chất tối, thì thí nghiệm không đủ nhạy để nghe thấy tín hiệu phía trên tiếng ồn, hoặc không có vật chất tối trong vùng khối lượng trục tương ứng.
Khi điều này xảy ra, chúng tôi đặt ra "giới hạn loại trừ" - đây chỉ là một cách nói "chúng tôi không tìm thấy bất kỳ vật chất tối nào trong phạm vi khối lượng này, với mức độ nhạy cảm này." Điều này yêu cầu phần còn lại của cộng đồng nghiên cứu vật chất tối hướng các tìm kiếm của họ đến nơi khác.
ORGAN là thử nghiệm nhạy cảm nhất trong phạm vi tần số được nhắm mục tiêu của nó. Lần chạy gần đây của nó không phát hiện thấy tín hiệu vật chất tối nào. Kết quả này đã đặt ra một giới hạn loại trừ quan trọng đối với các đặc điểm có thể có của axion.
Đây là giai đoạn đầu tiên của kế hoạch kéo dài nhiều năm để tìm kiếm axion. Chúng tôi hiện đang chuẩn bị thử nghiệm tiếp theo, thử nghiệm này sẽ nhạy cảm hơn và nhắm mục tiêu đến một phạm vi khối lượng mới, chưa được khám phá.
Nhưng Tại sao Vật chất Tối lại Quan trọng?
Đầu tiên, chúng ta biết từ lịch sử rằng khi chúng ta đầu tư vào vật lý cơ bản, chúng ta sẽ phát triển các công nghệ quan trọng. Ví dụ, tất cả các máy tính hiện đại đều dựa vào hiểu biết của chúng ta về cơ học lượng tử.
Chúng ta sẽ không bao giờ khám phá ra điện, hay sóng vô tuyến, nếu chúng ta không theo đuổi những thứ mà vào thời điểm đó, dường như là những hiện tượng vật lý kỳ lạ ngoài tầm hiểu biết của chúng ta. Vật chất tối cũng vậy.
Hãy xem xét mọi thứ mà con người đã hoàn thành bằng cách chỉ hiểu một phần sáu vật chất trong vũ trụ — và tưởng tượng những gì chúng ta có thể làm nếu mở khóa phần còn lại.
Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.
Ảnh: Cộng tác với Illustris
