Bản chất của vật chất tối đã làm các nhà khoa học bối rối trong nhiều thập kỷ, nhưng một phát triển mới có thể giúp giải quyết bí ẩn này trong vòng 15 năm tới.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một "hạt bán axion" có thể trở thành cơ sở của một loại radio ô tô vũ trụ, và "radio" này sẽ có khả năng điều chỉnh tần số của axion. Axion là các hạt giả thuyết là ứng cử viên hàng đầu cho vật chất tối.
Nhóm nghiên cứu đứng sau ý tưởng này cho biết, nếu được thực hiện, thiết bị sẽ trở thành máy dò vật chất tối chính xác nhất từ trước đến nay. Điều này khiến các nhà nghiên cứu tự tin rằng bản chất thực sự của vật chất tối sẽ không còn xa lạ với các nhà khoa học nữa.
"Để phát hiện ra axion, chúng ta cần điều chỉnh tần số của nó. Khi làm được như vậy, các tín hiệu trong các thí nghiệm sẽ 'cộng hưởng' và trở nên mạnh hơn", thành viên nhóm nghiên cứu David "Doddy" Marsh của King's College London chia sẻ với Space.com. "Chúng ta không biết tần số, vì vậy chúng ta cần phải tiếp tục điều chỉnh và thử những tần số khác nhau, như tìm kiếm một đài phát thanh hay khi bạn đến một quốc gia khác hoặc lái xe đường dài."
Vì các electron, proton và neutron tạo nên các nguyên tử tạo nên vật chất hàng ngày trong các ngôi sao, hành tinh, mặt trăng, cơ thể chúng ta và mọi thứ khác mà chúng ta nhìn thấy xung quanh có tương tác với ánh sáng, các nhà khoa học biết rằng vật chất tối phải là thứ gì đó khác. Điều này đã thúc đẩy việc tìm kiếm các hạt bên ngoài "vườn thú hạt" của Mô hình chuẩn về vật lý hạt. Sau khi phát hiện ra Boson Higgs tại Máy gia tốc hạt lớn (LHC) vào năm 2012 đã hoàn thiện Mô hình chuẩn, trọng tâm thực sự chuyển sang các hạt giả thuyết ngoài mô hình này. Các hạt như axion.
Axion hiện được coi là ứng cử viên hàng đầu trong cuộc săn tìm vật chất tối. Chúng là các hạt tương tác cực kỳ yếu với khối lượng nhỏ, nhưng vẫn có thể tạo ra các hiệu ứng hấp dẫn cho phép các nhà nghiên cứu suy ra sự hiện diện của các hạt.
"Axion đã là ứng cử viên vật chất tối tốt kể từ những năm 1980, nhưng chúng có tín hiệu yếu đến mức chúng ta không có công nghệ để tìm kiếm chúng. Cho đến năm 2012, chúng ta đã đúng khi tập trung vào các máy gia tốc và phát hiện ra Boson Higgs." Marsh cho biết. "Mọi người đã làm việc chăm chỉ trong bóng tối để phát hiện axion trong suốt thời gian này, và cuối cùng vào năm 2010, Thí nghiệm Vật chất tối Axion (ADMX) đã đạt đến độ nhạy với các mô hình axion của những năm 1980, và đột nhiên, trò chơi đã bắt đầu.
"Chúng tôi đã có công nghệ."
Với boson Higgs được tìm thấy — và không có hạt mới nào khác hoặc hạt tối các ứng cử viên vật chất, chẳng hạn như Hạt khối lượng tương tác yếu (WIMP), xuất hiện tại các máy gia tốc như LHC, — Marsh giải thích rằng rất nhiều người khác cũng tham gia trò chơi săn tìm axion.
"Tôi bắt đầu chương trình tiến sĩ của mình. về axion vào năm 2009", ông nói. "Chúng tôi có rất nhiều ý tưởng mới trong thập kỷ qua và đó là lý do tại sao nó thú vị".
Điều đó đưa chúng ta đến với sự phát triển mới nhất do Marsh và các đồng nghiệp trình bày.
Các nhà khoa học sử dụng khái niệm "quasiparticle" để mô tả hành vi của một nhóm các hạt tương tác như thể chúng là một hạt duy nhất. Ví dụ, các đặc điểm của electron chảy qua chất bán dẫn có thể được mô tả như một quasiparticle electron.
Quasiparticle axion này được thiết kế theo cách mà tần số của nó có thể được truyền vào không gian bằng cách sử dụng một mảnh vật liệu quasiparticle axion lớn hơn nhiều — một tần số hy vọng sẽ khớp với các axion thực tế.
Khi máy dò xác định và "điều chỉnh" đến tần số đó, các bán hạt axion sẽ phát ra một lượng ánh sáng nhỏ.
Thí nghiệm này hoạt động ở tần số terahertz cao nhất, mà nhiều nhà khoa học cho rằng đây là dải tần hứa hẹn nhất để săn tìm các axion.
"Thí nghiệm này sẽ hoạt động ở tần số cao mà các phương pháp khác khó có thể thực hiện được, và nếu chúng ta may mắn và thiên nhiên đã đặt axion ở tần số của chúng ta, thì chúng ta sẽ tìm thấy nó", Marsh cho biết. "Đó là một phạm vi lớn, nhưng hữu hạn, và là phạm vi mà chúng tôi có ý tưởng về công nghệ để tìm kiếm các axion trong mọi dải tần khác nhau. Nhưng đây là phạm vi mà chúng tôi đang hướng đến, phạm vi có khả năng xảy ra cao hơn."
Marsh dự đoán rằng một nguyên mẫu hoạt động đầy đủ của máy dò vật chất tối có thể được đưa vào hoạt động vào năm 2030, giúp các nhà nghiên cứu có thêm 10 năm nữa để phát hiện ra axion tích cực.
"Sẽ mất một vài năm để thiết kế, gây quỹ và xây dựng một thí nghiệm quy mô đầy đủ, với chi phí lên tới hàng chục triệu đô la", ông nói tiếp. "Sau đó, chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi sẽ cần ít nhất 3 năm để thực hiện thí nghiệm.
"Tất nhiên, chúng tôi có thể may mắn và phát hiện ra vật chất tối trong các nguyên mẫu đầu tiên của mình, nhưng 15 năm là khoảng thời gian đủ để làm mọi thứ có thể với phương pháp này."
"Chúng tôi sẽ cần phải tìm ra liệu vật chất tối chỉ là một hay nhiều thứ. Có thể có nhiều loại axion, giống như chúng ta có ba loại neutrino chẳng hạn, và mỗi loại chỉ có thể tạo nên một phần nhỏ của vật chất tối", Marsh nói. "Cũng sẽ có những câu hỏi chưa có lời giải về cách chính xác axion được tạo ra trong vũ trụ sơ khai, hoặc những hạt nào khác mà nó kết hợp với. Có một tập hợp các ý tưởng được phát triển tốt về những gì chúng ta sẽ làm 'sau khi khám phá' với axion, nhưng về cơ bản đó sẽ là một bước tiến lớn."
Ngoài ra, axion đã được đề xuất như là giải pháp cho các bí ẩn vũ trụ khác, nhưng nếu đúng như vậy, thì điều đó cũng đòi hỏi phải phát hiện ra các hương vị khác nhau của các hạt giả thuyết này. Ví dụ, axion có thể giải thích tại sao các kết quả gần đây chỉ ra rằng cường độ của năng lượng tối, lực kỳ lạ khiến sự giãn nở của vũ trụ tăng tốc, đang thay đổi.
"Một loại axion có thể giải thích 'năng lượng tối động' được thấy trong kết quả của Công cụ quang phổ năng lượng tối (DESI); một loại khác là ứng cử viên tốt để giải thích lạm phát vũ trụ", Marsh giải thích. "Không có 'một axion nào thống trị tất cả', bạn luôn cần một axion khác, một tần số khác, cho mỗi vấn đề."
Câu chuyện liên quan:
— Những ngôi sao chết trong vụ nổ siêu tân tinh có thể giải quyết bí ẩn về vật chất tối trong 10 giây
— Cách thức mà người kế nhiệm của Máy va chạm Hadron lớn sẽ săn lùng vũ trụ tối
— Vật chất tối có thể tồn tại trong một lớp sương mù dày đặc xung quanh các xác chết của các ngôi sao
Tất cả đều phụ thuộc vào sự thành công của máy dò axion-quasiparticle này, nhưng Marsh đã cân nhắc các bước tiếp theo nếu thí nghiệm này không phát hiện được axion hoặc nếu các axion mà nó tìm thấy quá khan hiếm để có thể giải thích đầy đủ về vật chất.
"Nếu axion chỉ chiếm 10% vật chất tối, chúng ta sẽ không tìm thấy nó trong vòng thí nghiệm đầu tiên và chúng ta sẽ phải quay lại mọi tần số và tìm kiếm kỹ hơn", Marsh nói. "Tôi nghĩ rằng khi bạn xuống dưới mốc 10%, axion có thể tồn tại, nhưng nó sẽ không phải là 'vật chất tối'.
"Bất kỳ loại axion nào trong số nhiều loại khác, trong lý thuyết dây có thể có hàng trăm loại, đều có thể là vật chất tối và một số loại trong số chúng khó tìm hơn — mặc dù chúng tôi đang tìm kiếm tất cả những loại mà chúng tôi có thể tìm thấy".
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố trên tạp chí Nature vào thứ Tư (ngày 16 tháng 4).
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một "hạt bán axion" có thể trở thành cơ sở của một loại radio ô tô vũ trụ, và "radio" này sẽ có khả năng điều chỉnh tần số của axion. Axion là các hạt giả thuyết là ứng cử viên hàng đầu cho vật chất tối.
Nhóm nghiên cứu đứng sau ý tưởng này cho biết, nếu được thực hiện, thiết bị sẽ trở thành máy dò vật chất tối chính xác nhất từ trước đến nay. Điều này khiến các nhà nghiên cứu tự tin rằng bản chất thực sự của vật chất tối sẽ không còn xa lạ với các nhà khoa học nữa.
"Để phát hiện ra axion, chúng ta cần điều chỉnh tần số của nó. Khi làm được như vậy, các tín hiệu trong các thí nghiệm sẽ 'cộng hưởng' và trở nên mạnh hơn", thành viên nhóm nghiên cứu David "Doddy" Marsh của King's College London chia sẻ với Space.com. "Chúng ta không biết tần số, vì vậy chúng ta cần phải tiếp tục điều chỉnh và thử những tần số khác nhau, như tìm kiếm một đài phát thanh hay khi bạn đến một quốc gia khác hoặc lái xe đường dài."
Bạn đang nghe đài FM vật chất tối!
Các nhà khoa học phải khéo léo trong nỗ lực phát hiện vật chất tối vì mặc dù chiếm khoảng 85% vật chất trong vũ trụ, nhưng nó không tương tác với ánh sáng — hay chính xác hơn là bất kỳ bức xạ điện từ nào — và do đó về cơ bản là vô hình đối với chúng ta.Vì các electron, proton và neutron tạo nên các nguyên tử tạo nên vật chất hàng ngày trong các ngôi sao, hành tinh, mặt trăng, cơ thể chúng ta và mọi thứ khác mà chúng ta nhìn thấy xung quanh có tương tác với ánh sáng, các nhà khoa học biết rằng vật chất tối phải là thứ gì đó khác. Điều này đã thúc đẩy việc tìm kiếm các hạt bên ngoài "vườn thú hạt" của Mô hình chuẩn về vật lý hạt. Sau khi phát hiện ra Boson Higgs tại Máy gia tốc hạt lớn (LHC) vào năm 2012 đã hoàn thiện Mô hình chuẩn, trọng tâm thực sự chuyển sang các hạt giả thuyết ngoài mô hình này. Các hạt như axion.
Axion hiện được coi là ứng cử viên hàng đầu trong cuộc săn tìm vật chất tối. Chúng là các hạt tương tác cực kỳ yếu với khối lượng nhỏ, nhưng vẫn có thể tạo ra các hiệu ứng hấp dẫn cho phép các nhà nghiên cứu suy ra sự hiện diện của các hạt.
"Axion đã là ứng cử viên vật chất tối tốt kể từ những năm 1980, nhưng chúng có tín hiệu yếu đến mức chúng ta không có công nghệ để tìm kiếm chúng. Cho đến năm 2012, chúng ta đã đúng khi tập trung vào các máy gia tốc và phát hiện ra Boson Higgs." Marsh cho biết. "Mọi người đã làm việc chăm chỉ trong bóng tối để phát hiện axion trong suốt thời gian này, và cuối cùng vào năm 2010, Thí nghiệm Vật chất tối Axion (ADMX) đã đạt đến độ nhạy với các mô hình axion của những năm 1980, và đột nhiên, trò chơi đã bắt đầu.
"Chúng tôi đã có công nghệ."
Với boson Higgs được tìm thấy — và không có hạt mới nào khác hoặc hạt tối các ứng cử viên vật chất, chẳng hạn như Hạt khối lượng tương tác yếu (WIMP), xuất hiện tại các máy gia tốc như LHC, — Marsh giải thích rằng rất nhiều người khác cũng tham gia trò chơi săn tìm axion.
"Tôi bắt đầu chương trình tiến sĩ của mình. về axion vào năm 2009", ông nói. "Chúng tôi có rất nhiều ý tưởng mới trong thập kỷ qua và đó là lý do tại sao nó thú vị".
Điều đó đưa chúng ta đến với sự phát triển mới nhất do Marsh và các đồng nghiệp trình bày.
Săn axion bằng 'quasiparticles'
Nền tảng của máy dò vật chất tối của nhóm là sự phát triển của một quasiparticle axion bằng một vật liệu được biết đến với các đặc điểm điện tử và từ tính độc đáo gọi là mangan bismuth telluride.Các nhà khoa học sử dụng khái niệm "quasiparticle" để mô tả hành vi của một nhóm các hạt tương tác như thể chúng là một hạt duy nhất. Ví dụ, các đặc điểm của electron chảy qua chất bán dẫn có thể được mô tả như một quasiparticle electron.
Quasiparticle axion này được thiết kế theo cách mà tần số của nó có thể được truyền vào không gian bằng cách sử dụng một mảnh vật liệu quasiparticle axion lớn hơn nhiều — một tần số hy vọng sẽ khớp với các axion thực tế.
Khi máy dò xác định và "điều chỉnh" đến tần số đó, các bán hạt axion sẽ phát ra một lượng ánh sáng nhỏ.
Thí nghiệm này hoạt động ở tần số terahertz cao nhất, mà nhiều nhà khoa học cho rằng đây là dải tần hứa hẹn nhất để săn tìm các axion.
"Thí nghiệm này sẽ hoạt động ở tần số cao mà các phương pháp khác khó có thể thực hiện được, và nếu chúng ta may mắn và thiên nhiên đã đặt axion ở tần số của chúng ta, thì chúng ta sẽ tìm thấy nó", Marsh cho biết. "Đó là một phạm vi lớn, nhưng hữu hạn, và là phạm vi mà chúng tôi có ý tưởng về công nghệ để tìm kiếm các axion trong mọi dải tần khác nhau. Nhưng đây là phạm vi mà chúng tôi đang hướng đến, phạm vi có khả năng xảy ra cao hơn."
Marsh dự đoán rằng một nguyên mẫu hoạt động đầy đủ của máy dò vật chất tối có thể được đưa vào hoạt động vào năm 2030, giúp các nhà nghiên cứu có thêm 10 năm nữa để phát hiện ra axion tích cực.
"Sẽ mất một vài năm để thiết kế, gây quỹ và xây dựng một thí nghiệm quy mô đầy đủ, với chi phí lên tới hàng chục triệu đô la", ông nói tiếp. "Sau đó, chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi sẽ cần ít nhất 3 năm để thực hiện thí nghiệm.
"Tất nhiên, chúng tôi có thể may mắn và phát hiện ra vật chất tối trong các nguyên mẫu đầu tiên của mình, nhưng 15 năm là khoảng thời gian đủ để làm mọi thứ có thể với phương pháp này."
Một axion có thể thống trị tất cả?
Ngay cả khi phương pháp của nhóm nghiên cứu có thể phát hiện ra một axion, vẫn sẽ có rất nhiều câu hỏi cần trả lời về vật chất tối. Ví dụ, nghi phạm hạt giả định này có thể không hoạt động một mình."Chúng tôi sẽ cần phải tìm ra liệu vật chất tối chỉ là một hay nhiều thứ. Có thể có nhiều loại axion, giống như chúng ta có ba loại neutrino chẳng hạn, và mỗi loại chỉ có thể tạo nên một phần nhỏ của vật chất tối", Marsh nói. "Cũng sẽ có những câu hỏi chưa có lời giải về cách chính xác axion được tạo ra trong vũ trụ sơ khai, hoặc những hạt nào khác mà nó kết hợp với. Có một tập hợp các ý tưởng được phát triển tốt về những gì chúng ta sẽ làm 'sau khi khám phá' với axion, nhưng về cơ bản đó sẽ là một bước tiến lớn."
Ngoài ra, axion đã được đề xuất như là giải pháp cho các bí ẩn vũ trụ khác, nhưng nếu đúng như vậy, thì điều đó cũng đòi hỏi phải phát hiện ra các hương vị khác nhau của các hạt giả thuyết này. Ví dụ, axion có thể giải thích tại sao các kết quả gần đây chỉ ra rằng cường độ của năng lượng tối, lực kỳ lạ khiến sự giãn nở của vũ trụ tăng tốc, đang thay đổi.
"Một loại axion có thể giải thích 'năng lượng tối động' được thấy trong kết quả của Công cụ quang phổ năng lượng tối (DESI); một loại khác là ứng cử viên tốt để giải thích lạm phát vũ trụ", Marsh giải thích. "Không có 'một axion nào thống trị tất cả', bạn luôn cần một axion khác, một tần số khác, cho mỗi vấn đề."
Câu chuyện liên quan:
— Những ngôi sao chết trong vụ nổ siêu tân tinh có thể giải quyết bí ẩn về vật chất tối trong 10 giây
— Cách thức mà người kế nhiệm của Máy va chạm Hadron lớn sẽ săn lùng vũ trụ tối
— Vật chất tối có thể tồn tại trong một lớp sương mù dày đặc xung quanh các xác chết của các ngôi sao
Tất cả đều phụ thuộc vào sự thành công của máy dò axion-quasiparticle này, nhưng Marsh đã cân nhắc các bước tiếp theo nếu thí nghiệm này không phát hiện được axion hoặc nếu các axion mà nó tìm thấy quá khan hiếm để có thể giải thích đầy đủ về vật chất.
"Nếu axion chỉ chiếm 10% vật chất tối, chúng ta sẽ không tìm thấy nó trong vòng thí nghiệm đầu tiên và chúng ta sẽ phải quay lại mọi tần số và tìm kiếm kỹ hơn", Marsh nói. "Tôi nghĩ rằng khi bạn xuống dưới mốc 10%, axion có thể tồn tại, nhưng nó sẽ không phải là 'vật chất tối'.
"Bất kỳ loại axion nào trong số nhiều loại khác, trong lý thuyết dây có thể có hàng trăm loại, đều có thể là vật chất tối và một số loại trong số chúng khó tìm hơn — mặc dù chúng tôi đang tìm kiếm tất cả những loại mà chúng tôi có thể tìm thấy".
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố trên tạp chí Nature vào thứ Tư (ngày 16 tháng 4).
