Vật chất tối, một thành phần bí ẩn chiếm phần lớn khối lượng vũ trụ, vẫn là một ẩn số lớn đối với các nhà khoa học. Dù biết rằng nó hiện diện ở khắp mọi nơi, nhưng việc xác định bản chất của vật chất tối vẫn là một thách thức lớn. Vậy, vật chất tối thực sự là gì và tại sao chúng ta vẫn chưa thể tìm ra nó?
Vật Chất Tối Là Gì?
Câu hỏi đầu tiên và gây nhiều tranh cãi nhất chính là: vật chất tối là gì? Cho đến nay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể xác định chính xác bản chất của nó. Một giả thuyết cho rằng sự mất mát khối lượng trong không gian là do các ngôi sao đang chết và các lỗ đen có kích thước nhỏ. Tuy nhiên, hiện tại chưa có đủ quan sát trực tiếp để chứng minh ảnh hưởng của hai yếu tố này lên vật chất tối.
Giả thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất là vật chất tối là một loại hạt có tên là Hạt Tương Tác Yếu Khối Lượng Lớn (Weakly Interacting Massive Particle), hay còn gọi là WIMP. Loại hạt này có hành vi gần giống như neutron nhưng có khối lượng nặng hơn proton từ 10 đến 100 lần. Tuy nhiên, giả thuyết này lại dẫn đến nhiều câu hỏi khác, chẳng hạn như: liệu chúng ta có thể xác định được vật chất tối hay không? Nếu vật chất tối được tạo thành từ các hạt WIMP, chúng sẽ tồn tại xung quanh chúng ta, hoàn toàn vô hình và khó xác định. Vậy tại sao chúng ta vẫn chưa tìm thấy chúng?
Mặc dù tương tác của chúng với vật chất khác là rất ít, nhưng có khả năng trong quá trình di chuyển trong không gian, vật chất tối có thể va chạm với các hạt vật chất thông thường như electron hoặc proton. Để nghiên cứu điều này, các nhà khoa học đã thực hiện nhiều thí nghiệm bằng cách quan sát một lượng lớn các hạt vật chất thông thường dưới lòng đất để chặn bức xạ, với hy vọng có thể ghi lại khoảnh khắc va chạm của vật chất tối. Tuy nhiên, sau nhiều thập kỷ, không có cảm biến nào phát hiện ra bất cứ điều gì mới. Một thí nghiệm của công ty Panda-X của Trung Quốc còn kết luận rằng các hạt WIMP không tồn tại. Có vẻ như các hạt vật chất tối nhỏ hơn nhiều so với hạt WIMP hoặc thiếu các đặc điểm giúp quá trình nghiên cứu dễ dàng hơn.
Liệu Có Nhiều Loại Hạt Vật Chất Tối?
Vật chất thông thường được tạo thành từ các hạt quen thuộc như proton và electron, cùng với nhiều loại hạt kỳ lạ khác như neutrino, muon và pion. Vì vậy, một số nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng vật chất tối, chiếm 85% vật chất trong vũ trụ, cũng có thể có cấu trúc phức tạp tương tự. Mặc dù có nhiều lý thuyết, nhưng việc tìm ra cách để xác nhận hoặc bác bỏ chúng vẫn còn quá xa vời.
Có Lực Tối Không?
Bên cạnh các hạt tối, vật chất tối cũng có thể chịu các lực tương tự như các vật chất khác. Một số nhà khoa học đã tìm kiếm “photon tối”, tương tự như các photon được trao đổi giữa các hạt thông thường và tạo ra lực điện từ, chỉ khác là chúng chỉ được các hạt vật chất tối hấp thụ. Các nhà vật lý ở Ý đang cố gắng bắn một chùm electron và phản hạt của chúng, positron, vào một viên kim cương. Nếu photon tối thực sự tồn tại, các cặp electron-positron có thể hủy diệt lẫn nhau và tạo ra một trong những hạt lực lạ này, mở ra một lĩnh vực hoàn toàn mới trong vũ trụ.
Vật Chất Tối Được Tạo Thành Từ Axion?
Khi các nhà vật lý dần rời xa WIMP, các hạt vật chất tối khác bắt đầu được quan tâm. Một trong số các lý thuyết khác là hạt giả thuyết được gọi là axion, cực kỳ nhẹ, có thể nhẹ hơn proton hàng tỷ lần. Hiện có nhiều thí nghiệm đang được tiến hành để tìm kiếm axion.
Tính Chất của Vật Chất Tối?
Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra vật chất tối thông qua tương tác hấp dẫn của nó với vật chất thông thường, cho thấy đây chính xác là cách vật chất tối biểu hiện trong vũ trụ. Tuy nhiên, càng cố gắng hiểu rõ bản chất thực sự của vật chất tối, các nhà nghiên cứu lại càng không có nhiều tiến triển. Theo một số lý thuyết, các hạt vật chất tối phải là phản hạt của chính chúng, có nghĩa là hai hạt vật chất tối sẽ hủy diệt lẫn nhau khi va chạm.
Vật Chất Tối Có Tồn Tại Trong Mọi Thiên Hà?
Do có số lượng áp đảo so với vật chất thông thường, người ta thường cho rằng vật chất tối là lực kiểm soát sự hình thành các cấu trúc vĩ mô như thiên hà và cụm thiên hà. Tuy nhiên, đầu năm nay, các nhà nghiên cứu thông báo đã tìm thấy một thiên hà dường như không chứa vật chất tối. Sau đó, một nhóm nghiên cứu độc lập đã công bố phân tích cho rằng nghiên cứu trước đó đã tính toán sai khoảng cách đến thiên hà, dẫn đến kết luận sai lầm.
Vật Chất Tối Có Mang Điện Tích?
Một số nhà vật lý cho rằng vật chất tối có thể mang điện tích. Bức xạ có bước sóng 21 siem, phát ra từ các ngôi sao trong vũ trụ chỉ 180 triệu năm sau vụ nổ Big Bang, sau đó bị hấp thụ bởi khí hydro nhiệt độ thấp, phổ biến vào thời điểm đó. Khi bức xạ này được phát hiện vào tháng 2 năm nay, nó cho thấy khí hydro có nhiệt độ thấp hơn nhiều so với dự đoán của các nhà khoa học.
Các Hạt Thông Thường Có Thể Phân Rã Thành Vật Chất Tối?
Neutron là các hạt vật chất có tuổi thọ hữu hạn, sẽ phân rã thành proton, một electron và một neutrino. Tuy nhiên, các thí nghiệm khác nhau lại cho kết quả thời gian phân rã của neutron chênh lệch nhau khoảng 9 giây. Đầu năm nay, các nhà vật lý đã đưa ra giả thuyết rằng sự chênh lệch kết quả có thể xảy ra khi có 1% khả năng neutron phân rã thành các hạt vật chất tối.
Vật Chất Tối Có Thực Sự Tồn Tại?
Trước những khó khăn mà các nhà khoa học đang gặp phải trong việc cố gắng khám phá và giải thích vật chất tối, câu hỏi đặt ra là liệu họ có đi đúng hướng hay không. Trong nhiều năm, một số ít các nhà vật lý đã đề xuất rằng các lý thuyết của chúng ta về lực hấp dẫn đơn giản là không đúng, và lực hấp dẫn có thể có những tác động khác nhau trong không gian rộng lớn.
Phát Hiện Bất Ngờ Trong Thí Nghiệm Tìm Kiếm Vật Chất Tối
Trong thí nghiệm Tìm Kiếm Vật Chất Tối gần đây, các nhà khoa học vô tình phát hiện ra một điều có thể lật đổ cả vật lý cơ bản. Các lỗi trong thí nghiệm này có thể mở ra những con đường mới cho vật lý hạt, nhưng cũng có khả năng đó chỉ là những bất thường thường thấy trong các thí nghiệm siêu chính xác này. Một bể chứa xenon lỏng dưới lòng đất ở Ý có thể đã phát hiện ra một loại hạt mới, được sinh ra ở trung tâm Mặt Trời. Nếu điều này thực sự xảy ra, nó có thể đảo ngược các quy luật vật lý đã tồn tại hơn 50 năm.
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra thùng chứa dưới lòng đất này để nghiên cứu vật chất tối, một thứ khó nắm bắt nhưng theo các lý thuyết thiên văn hiện đại, nó chiếm 85% vũ trụ. Như đã đề cập, vật chất tối tồn tại vì chúng ta có thể đo được cách lực hấp dẫn tác động lên các thiên hà xa xôi, nhưng trước đây họ chưa bao giờ có thể trực tiếp phát hiện ra nó. Cho đến nay, các dự đoán tốt nhất về vật chất tối cho thấy nó bao gồm các đám mây hạt hạ nguyên tử còn sót lại từ vụ nổ Big Bang và được gọi chung là WIMP. Đó là lý do tại sao thí nghiệm Xenon 1T, được một nhóm các nhà khoa học quốc tế sử dụng tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Gran Sasso ở Ý. Họ muốn tìm bằng chứng trực tiếp để chứng minh sự tồn tại của loại vật chất cơ bản này của vũ trụ.
Thí nghiệm này bao gồm việc sử dụng một thùng hình trụ chứa hơn 3,2 tấn xenon lỏng, được làm lạnh đến -95 độ C. Thùng chứa này được đặt sâu dưới lòng đất để đảm bảo sóng bức xạ không gây nhiễu cho thí nghiệm này. Theo Tiến sĩ Elena Aprile, Đại học Columbia, người đứng đầu thí nghiệm này, xenon là chất nhạy cảm nhất để phát hiện và xác định vật chất tối. Thùng chứa này cũng được kết nối với các bộ kích thích quang học, cùng với các cảm biến khác để phát hiện các tương tác hiếm gặp giữa các hạt hạ nguyên tử của vật chất tối và các nguyên tử xenon. Về lý thuyết, những tương tác này sẽ tạo ra những tia sáng nhỏ cùng với các electron.
Trong lần lặp lại mới nhất của thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu ban đầu dự kiến máy sẽ phát hiện khoảng 232 tương tác, dựa trên các hạt đã biết. Nhưng thay vào đó, họ đã phát hiện ra 285 tương tác, nhiều hơn 53 tương tác so với dự đoán. Hơn nữa, năng lượng phát ra từ những tương tác bất ngờ này tương ứng với mức năng lượng dự đoán của một hạt chưa từng được khám phá trước đây, được gọi là axion mặt trời. Loại hạt này đã được các nhà vật lý dự đoán về sự tồn tại của nó trên lý thuyết, nhưng chưa bao giờ được tìm thấy. Theo nhà vật lý Sean Caroll tại Viện Công nghệ California, loại hạt lý thuyết dường như phù hợp với dữ liệu Xenon-1T này, có vẻ quá nặng đối với vật chất tối, nhưng có thể đã được Mặt Trời tạo ra. Nếu điều này là đúng, nó sẽ có tầm quan trọng to lớn, đây có thể là một khám phá sẽ dẫn đến giải Nobel. Nhưng những tương tác bất ngờ này cũng có thể chỉ là những bất thường, thường xuất hiện trong các thí nghiệm vật lý có độ nhạy cao như Xenon-1T.
Khám Phá Mới Có Thể Thay Đổi 50 Năm Vật Lý Cơ Bản
Khám phá mới nhất về các hạt cơ bản xuất hiện từ những năm 1970 đến nay. Đó là khi Mô hình Chuẩn được thiết lập, một tập hợp các quy tắc đã biết cho vật lý hạt, để mô tả tất cả các hạt cơ bản được các nhà khoa học phát hiện và cách chúng tương tác với các hạt khác. Đó là lý do tại sao hạt mới được phát hiện trong thí nghiệm Xenon-1T lại quan trọng đến vậy. Nếu kết quả kiểm tra là chính xác, nó sẽ chứng minh sự tồn tại của một loại hạt mới, nằm ngoài Mô hình Chuẩn đã tồn tại gần nửa thế kỷ. Đó sẽ là khám phá vững chắc đầu tiên về một thứ gì đó nằm ngoài Mô hình Chuẩn. Một khả năng khác có thể giải thích các tương tác bất ngờ của thí nghiệm là neutrino, một loại hạt hạ nguyên tử không có điện tích, cũng có thể gây ra những tương tác này. Điều này cũng có thể định nghĩa lại các quy luật vật lý đã biết, khi điều này có nghĩa là neutrino cũng có từ trường lớn hơn so với dự đoán của Mô hình Chuẩn. Điều này có thể chỉ ra các quy tắc vật lý mới, nằm ngoài Mô hình Chuẩn.
Kết luận
Hành trình khám phá vật chất tối vẫn còn nhiều chông gai, nhưng những phát hiện gần đây, đặc biệt là từ thí nghiệm Xenon-1T, mang đến những tia hy vọng mới. Dù kết quả cuối cùng có thể là gì, thì những nỗ lực không ngừng của các nhà khoa học sẽ tiếp tục làm sáng tỏ những bí ẩn của vũ trụ, và có thể mang đến một cuộc cách mạng trong lĩnh vực vật lý hiện đại.