Thời gian có bắt đầu và kết thúc không? (Phần 17)

Có một ứng cử viên thứ hai giữ vai trò của vật chất tối phi baryon phát sinh từ một mở rộng khác của mô hình chuẩn của lĩnh vực hiện tượng học hạt cơ bản, từ một hướng lập luận khá lộn xộn. Nó được gọi là axion và động lực của nó thì yếu hơn động lực của neutralino nhưng đáng để mô tả là một ví dụ khác nữa của mối liên hệ chặt chẽ giữa vũ trụ học lí thuyết và hiện tượng học hạt cơ bản.

Trong lí thuyết tương tác mạnh hay QCD, có một vấn đề là tại sao tương tác mạnh lại tuân theo một số đối xứng rời rạc nhất định. Những đối xứng này là chẵn lẻ (P) hay đối xứng gương và CP là tích của chẵn lẻ và liên hợp điện tích tráo đổi vật chất với phản vật chất. Cả hai đối xứng này, P và CP, đều bị vi phạm bởi tương tác yếu nhưng dường như được tương tác mạnh tuân theo.

Tuy nhiên, có một số hạng nhất định có thể được phép trong lí thuyết QCD vi phạm đối xứng P lẫn CP và trong đó hệ số phải có độ lớn dưới một phần mười tỉ để tránh mâu thuẫn với các thí nghiệm về các trạng thái liên kết, nhất là moment lưỡng cực điện của các nguyên tử thủy ngân và neutron.

Một cách giải quyết vấn đề là đặt ra rồi sau đó phá vỡ một đối xứng nữa. Thủ tục này làm phát sinh một hạt nữa gọi là axion. Nó có thể tác dụng như vật chất tối phi baryon. Lí thuyết axion có những trục trặc kĩ thuật nhất định, ví dụ như lí thuyết có vẻ không tương thích khi kết hợp với các tương tác hấp dẫn.

Khối lượng axion nằm đâu đó khoảng một phần nghìn tỉ của khối lượng proton và vì thế nhẹ hơn neutralino một trăm nghìn tỉ lần. Hai ứng cử viên này cho thấy chúng ta biết ít như thế nào về vật chất tối phi baryon: ngưỡng khối lượng khả dĩ cho thành phần còn thiếu này thật ra nằm đâu đó giữa khối lượng axion và một triệu khối lượng mặt trời, một ngưỡng khối lượng chênh lệch nhau đến sáu mươi chín bậc độ lớn.

Như vậy, mặc dù neutralino và axion là những ứng cử viên hợp lí, nhưng giải pháp đúng mà Tự nhiên chọn cho vật chất tối phi baryon vẫn là bí ẩn.

--

Biết rằng gần một phần tư mật độ năng lượng vũ trụ là vật chất tối phi baryon, chừng gấp sáu lần vật chất baryon, nhưng câu hỏi là làm thế nào phát hiện ra nó? Các lập luận liên quan đến nghiên cứu các đường cong chuyển động quay của thiên hà, định lí virial ở các đám thiên hà, và các quan trắc vũ trụ học của bức xạ nền vi sóng vũ trụ, cấu trúc vĩ mô và các sao siêu mới loại IA đều là những phương pháp gián tiếp. Chúng gợi lên thực tế rằng phải tồn tại vật chất tối phi baryon. Nhưng nó gồm từ cái gì?

Đặc biệt, có phải nó gồm những hạt sơ cấp nặng tương tác yếu (WIMP) với khối lượng cỡ một trăm lần khối lượng proton, hay nó gồm những thực thể lớn hơn nhiều với khối lượng cỡ Mặt trời hoặc lớn hơn? Một số đo của sự ngu dốt hiện nay của chúng ta là những khả năng cực độ như thế vẫn trụ vững được. Tiếp nữa, biết rằng vật chất tối phi baryon này có một dạng thức nhất định, thì các tương tác của nó với vật chất baryon là gì?

Vấn đề các tương tác này đặc biệt liên quan đến khả năng dò tìm và phát hiện. Câu hỏi then chốt là những tương tác đó với vật chất bình thường mạnh bao nhiêu? Nếu WIMP là trạng thái neutralino của siêu đối xứng, thì nó cũng phải có tương tác yếu với vật chất bình thường. Trong trường hợp đó, một phương pháp dò tìm là sử dụng các xạ kế, thường là những tinh thể lớn được làm lạnh đến nhiệt độ rất thấp. Nếu một hạt WIMP va chạm với tinh thể và tương tác, nó có thể để lại năng lượng ở dạng các dao động, hay phonon, trong tinh thể đó. Những phonon như vậy khi ấy có thể phát hiện được. Những tìm kiếm kiểu như thế đã được thực hiện và thậm chí những khẳng định về một tín hiệu dương tính đã được nêu ra nhưng những khẳng định này chưa được tái hiện và do đó thường bị bỏ qua. Việc phát hiện ra vật chất phi baryon sẽ là một khẳng định đặc biệt. Những khẳng định đặc biệt cần có sự hậu thuẫn của bằng chứng đặc biệt cho đến nay chưa có được.

Một khả năng dò tìm nữa là từ quá trình phân hủy của vật chất tối với phản vật chất tối. Nếu chúng ta giả sử quá trình này tạo ra các photon bình thường và các cặp electron-positron, thì những phân hủy positron sau đó có thể phát hiện được bằng cách dò tìm phát xạ gamma. Thật vậy, có một số lượng lớn đến đáng ngờ của positron ở gần tâm của Dải Ngân hà và người ta cho rằng những positron này có thể phát sinh từ sự phân hủy của vật chất tối. Thật không may, có những giải thích khác cho sự xuất hiện của những positron như vậy và vì thế bằng chứng cho sự phát hiện trực tiếp của vật chất tối cho đến nay vẫn chưa đủ sức thuyết phục.

Việc phát hiện trực tiếp của vật chất tối phi baryon được xem là hết sức khó (một số người là không thể nào!) nếu các tương tác của nó chỉ là tương tác hấp dẫn do tính yếu của tương tác hấp dẫn. Ví dụ, cho dù trong một trường hợp vật chất tối thật sự có phân hủy với phản vật chất của nó, nó sẽ chỉ tạo ra thêm vật chất tối ở dạng những “photon tối” hay bất kì cái gì tương tự thế. Chỉ có một giả định là vật chất tối phi baryon có những tương tác phi hấp dẫn đáng kể đối với vật chất bình thường.

Trong một trường hợp như vậy, chúng ta phải dò tìm gián tiếp nhưng như thế vẫn thất bại vì việc nhận ra những hạt thành phần của vật chất tối phi baryon vẫn sẽ khó nắm bắt và sẽ không kích thích việc xây dựng các mô hình mở rộng mô hình chuẩn của lĩnh vực hiện tượng học hạt cơ bản.

Một kịch bản lạc quan hơn là có những lực phi hấp dẫn đáng kể và việc dò tìm trực tiếp sẽ xảy ra trong tương lai gần. Việc này sẽ mang lại một chỉ dẫn quan trọng để xây dựng mô hình nhất là khi bản chất của các tương tác của vật chất tối và vật chất bình thường được khảo sát thêm nữa trên phương diện thực nghiệm.

Những người chủ trương siêu đối xứng thường được khích lệ bởi thực tế là việc nhận ra WIMP với một neutralino tự nhiên cho ta mật độ vật chất tối chính xác sau khi các phân hủy WIMP xảy ra. Thật vậy, hướng này được một số người ủng hộ đề xuất rằng siêu đối xứng là đúng. Một bằng chứng nữa như thế là sự thống nhất cải tiến của các cặp kết hợp trong một lí thuyết thống nhất lớn siêu đối xứng.

Mặt khác, động lực chính cho siêu đối xứng là cung cấp tính tự nhiên cho boson Higgs theo nghĩa là triệt tiêu các phân kì bậc hai trong lí thuyết trường cơ sở. Nếu tính tự nhiên như thế có thể thu được mà không có siêu đối xứng thì động lực của nó sẽ bị loại bỏ, mặc dù siêu đối xứng vẫn giữ một vai trò quan trọng trong việc xây dựng các siêu dây là một lí thuyết tiềm năng cho sự hấp dẫn lượng tử. Tuy nhiên, trong trường hợp đó, siêu đối xứng có thể bị phá vỡ ở một cấp năng lượng rất cao, có lẽ cao cỡ thang Planck, và khi đó sẽ không có lí do gì để trông chờ nhìn thấy bất kì siêu hạt nào với khối lượng mà các máy va chạm thế hệ tiếp theo có thể đạt tới.

Cái có thể nhìn thấy từ những lập luận như thế là việc phát hiện trực tiếp của vật chất tối trong các thí nghiệm phi máy gia tốc có thể giúp làm sáng tỏ chính xác thì chúng ta có thể trông chờ những hạt nào có thể được tạo ra trong các máy va chạm năng lượng cao. Hiểu theo nghĩa này thì sự se duyên giữa vũ trụ học và lí thuyết hạt còn quan trọng hơn nữa.

Thời gian có bắt đầu và kết thúc không

<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
Xem Phần đầu tiên >>

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Sơ lược từ nguyên vật lí hạt (Phần 6)
17/10/2017
hadron (hadros + on) Người đặt tên: Lev Okun, 1962 Thuật ngữ “hadron” được đặt ra tại Hội nghị Quốc tế về Vật lí Năng
Sơ lược từ nguyên vật lí hạt (Phần 5)
17/10/2017
boson W (weak + boson) Người đặt tên: Lý Chính Đạo và Dương Chấn Ninh, 1960 Là hạt mang lực yếu có mặt trong các tương tác
Chúng ta đã tìm thấy một nửa vũ trụ
15/10/2017
Một nửa lượng vật chất bình thường trong vũ trụ trước đây vắng mặt trong các quan sát mà không ai lí giải được, nay
Giải Nobel Vật Lý 2017 được trao cho việc dò tìm sóng hấp dẫn
09/10/2017
Rainner Weiss, Barry Barish và Kip Thorne chia nhau giải thưởng cho đóng góp của họ ở LIGO. DIVIDE CASTELVECCHI - Nature Ba nhà vật
Làm thế nào tạo ra á kim không chứa kim loại?
22/09/2017
Một loại vật liệu mới gọi là “á kim thung lũng spin” vừa được các nhà vật lí ở Nga, Nhật Bản và Mĩ dự đoán dựa
Thiên văn học là gì?
20/09/2017
Loài người từ lâu đã hướng mắt lên bầu trời, tìm cách thiết đặt ý nghĩa và trật tự cho vũ trụ xung quanh mình. Mặc dù
Một số thông tin thú vị về Mặt trăng
16/09/2017
Mặt trăng là vật thể dễ tìm thấy nhất trên bầu trời đêm – khi nó hiện diện ở đó. Vệ tinh thiên nhiên duy nhất của
Sơ lược từ nguyên vật lí hạt (Phần 4)
27/08/2017
boson (Bose + on) Người đặt tên: Paul Dirac, 1945 Boson được đặt theo tên nhà vật lí Satyendra Nath Bose. Cùng với Albert Einstein,
Vui Lòng Đợi

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com