Phải chăng có hai loại vật chất tối?


Theo các nhà vật lí ở Mĩ, các kết quả mâu thuẫn nhau thu về từ các thí nghiệm tìm kiếm vật chất tối có thể giải quyết được nếu như vật chất tối hay lảng tránh ấy cấu thành từ hai loại hạt.

Lí thuyết mới có thể làm sáng tỏ một bí ẩn xuất hiện trước ánh sáng vào năm 2008, khi chương trình hợp tác PAMELA công bố một trong những mảnh bằng chứng mạnh mẽ nhất từ trước đến nay cho sự phát hiện trực tiếp của vật chất tối – một chất liệu được cho là chiếm tới hơn 80% vật chất của vũ trụ. PAMELA nhìn thấy một cái “bướu” trong độ dồi dào của các phản electron vũ trụ, còn gọi là positron, được cho là sinh ra khi các hạt vật chất tối hủy nhau. Nhưng không hề có dấu hiệu phù hợp nào cho các phản proton, hạt cũng sẽ được sinh ra bởi sự phân hủy vật chất tối.

Đó không phải là vấn đề duy nhất. Nếu dấu hiệu PAMELA thật sự là bằng chứng cho sự phân hủy, thì vật chất tối có liên quan sẽ thuộc một loại chưa bao giờ thể hiện trong các thí nghiệm dò tìm trực tiếp, thí dụ như CDMS-II, đặt trong một quặng mỏ ở Minnesota, Hoa Kì. Nhưng trong những năm gần đây, CDMS-II và các thí nghiệm dò tìm trực tiếp khác đã có những dấu hiệu riêng của mình cho vật chất tối.

Nay Daniel Feldman tại Đại học Michigan và các đồng sự tại các trường viện khác ở Mĩ nghĩ rằng họ đã tìm ra một phương thức nối kết những tín hiệu không phù hợp này lại. Họ cho biết vật chất tối có thể cấu tạo gồm hai loại hạt – một hạt bình thường, sẽ thể hiện trong các thí nghiệm dò tìm trực tiếp, và một hạt “khu ẩn”, sẽ giải thích tín hiệu PAMELA. “Tôi nghĩ chúng tôi đã có mô hình đầu tiên, với nó chúng tôi có thể giải thích về cơ bản mọi dữ liệu vật chất tối hiện nay”, phát biểu của Pran Nath, một trong các đồng tác giả của Feldman làm việc tại Đại học Northeastern ở Boston.

Vật chất tối được cho là chỉ tương tác qua lực hấp dẫn và lực điện yếu, nên một trong những ứng cử viên nổi tiếng nhất là cái gọi là các hạt nặng tương tác yếu, hay WMIP. Nhưng trong những năm gần đây, một số nhà nghiên cứu đã bắt đầu nhìn ngược về giả thuyết WMIP nghiêng về những mô hình phức tạp hơn, trước những thí nghiệm mang lại bằng chứng không phù hợp.

Khi hai hạt WMIP hủy nhau, chẳng hạn, chúng sẽ tạo ra hai boson, các boson này phân hủy thành electron và positron, hoặc thành proton và phản proton. PAMELA, một vệ tinh đang quay xung quanh Trái đất, chỉ chứng kiến một phía của quá trình này – phía electron và positron – cho thấy hoặc là tín hiệu của nó có trục trặc, hoặc là có cái gì đó không phù hợp cho lắm với lí thuyết.

Một lí do để nghĩ lí thuyết đó có thể còn thiếu phát sinh trong dữ liệu thu về từ các thí nghiệm dò tìm trực tiếp, chúng thường tìm kiếm sự giật lùi của các nguyên tử khi WMIP va chạm vào chúng. Trong hàng năm trời, chương trình hợp tác DAMA đặt ở Italy đã khẳng định bằng chứng thuộc loại này, và mới đây các chương trình CDMS-II và CoGeNT đã phất cờ những dấu hiêu trêu ngươi của riêng họ. Nhưng những tín hiệu này không phù hợp với tín hiệu WIMP mà PAMELA nhìn thấy – thật vậy, nếu tín hiệu PAMELA là có thật, thì theo giả thuyết WIMP chuẩn, các thí nghiệm dò tìm trực tiếp sẽ chẳng nhìn thấy gì hết.

Lí thuyết của Feldman, Nath và các đồng sự giải thích làm thế nào PAMELA và các thí nghiệm dò tìm trực tiếp có thể cùng tìm ra bằng chứng cho vật chất tối. Họ đề xuất một loại vật chất tối đa thành phần gồm hai hạt rất khác nhau. Một trong hai hạt này sẽ là một WIMP bình thường – hạt neutralino, như tiên đoán trong các mở rộng siêu đối xứng của Mô hình Chuẩn của vật lí hạt. Neutralino là một hạt "Majorana" (nghĩa là nó có phản hạt riêng của nó) và tạo ra rất ít phản vật chất khi phân hủy, nhưng sẽ tạo ra sự giật lùi hạt nhân trong các thí nghiệm dò tìm trực tiếp.

Hạt còn lại sẽ là một WIMP khu ẩn, khác thường. Phân khu ẩn là một bổ sung cho Mô hình Chuẩn bao gồm các hạt và lực khác nhau được biết là tồn tại hiện nay. Nhóm người Mĩ nghĩ rằng một hạt “Dirac” khu ẩn (có một phản hạt riêng) sẽ có thể phân hủy thành các positron sau khi hủy cặp, nhưng thành các phản proton, và do đó giải thích được tín hiệu PAMELA.

Joe Silk, một nhà vũ trụ học tại Đại học Oxford, Vương quốc Anh, nghĩ rằng nghiên cứu trên là một trong vô số nghiên cứu đã cố gắng giải thích các tín hiệu vật chất tối không phù hợp với nhau, nhưng ông lưu ý rằng nó thật sự có ích ở chỗ có thể kiểm tra. “Bất kì mô hình loại hủy cặp nào phù hợp với dữ liệu PAMELA cũng phải cho một thông lượng lớn các electron và positron năng lượng cao trong vũ trụ sơ khai khi mật độ của vật chất tối cao hơn nhiều so với ngày nay”, ông nói. Điều này sẽ làm “nhuốm bẩn” thời kì sơ khai của vũ trụ khi các electron và proton lần đầu tiên kết hợp thành các nguyên tử hydrogen trung hòa, và do đó sẽ thể hiện như dạng các thăng giáng trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB).

Những thăng giáng như vậy có thể quá nhỏ để gây chú ý với WMAP, vệ tinh cung cấp nhiều thông tin nhất tính cho đến nay về CMB. Nhưng đài thiên văn Palnck, đã phóng lên quỹ đạo hồi năm ngoái, sẽ có thể tìm kiếm chi tiết hơn nhiều. Chỉ khi đó, có vẻ vậy, chúng ta sẽ thu được dấu hiệu xem vật chất tối có phức tạp như Feldman, Nath và những người khác nghĩ hay không.

Thí nghiệm thứ ba nhìn thấy dấu hiệu của vật chất tối

Một thí nghiệm thứ ba đã phát hiện ra những dấu hiệu trêu ngươi của vật chất tối. Tuy nhiên, kết quả làm phát sinh thêm nghi vấn chứ không phải câu trả lời, vì hai thí nghiệm khác đã không tìm thấy dấu hiệu của vật chất bí ẩn trên, cái được cho là đã tạo ra lực hấp dẫn giữ những thiên hà đang quay tròn lại với nhau, chiếm khoảng 85% toàn bộ vật chất trong vũ trụ.

Kết quả trên có từ một thí nghiệm gọi là CRESST II, thí nghiệm sử dụng vài tá tinh thể calcium tungstate siêu lạnh để săn tìm vật chất tối từ sâu bên dưới ngọn núi Gran Sasso ở Italy. Khi một hạt vật chất chạm trúng một trong các tinh thể, tinh thể sẽ giải phóng một xung ánh sáng, và những nhiệt kế nhạy sẽ đo năng lượng của va chạm đó.

Phần lớn các va chạm là do những hạt đa dạng như tia vũ trụ. Những hạt này từ không gian tuôn mưa xuống Trái đất với số lượng lớn nên chúng chạm trúng CRESST&II – được che chắn bởi 1 km đá - ở tốc độ chừng một hạt mỗi giây. Lá chắn đá này có ít ảnh hưởng đối với các hạt vật chất tối vì người ta nghĩ chúng tương tác rất yếu với vật chất bình thường.

Nay các nhà nghiên cứu đứng đầu là Franz Pröbst và Jens Schmaler thuộc Viện Vật lí Max Planck ở Munich, Đức, cho biết thí nghiệm trên đã phát hiện khoảng 20 va chạm từ tháng 6/2009 đến tháng 4 năm ngoái có lẽ không phải do những hạt đã biết gây ra.


Các va chạm đó có thể liên quan đến vật chất tối, phát biểu của thành viên đội, Federica Petricca. Hôm qua, bà đã báo cáo các kết quả tại một nghị vật lí chuyên đề ở Munich.

Nếu đúng như vậy, thì những phép đo năng lượng của các va chạm có thể đưa vào các mô hình vật chất tối để mang lại những ước tính khối lượng của hạt. Sử dụng mô hình lí thuyết hàng đầu của vật chất tối, cho rằng nó gồm những hạt tương tác yếu gọi là neutralino, kết quả CRESST II cho thấy chúng có khối lượng chừng 10 đến 20 giga electronvolt.

Con số nằm ở đầu nhẹ của những giá trị ước tính trước đây, chúng rơi vào khoảng từ 10 đến 1000 GeV. Vùng ngưỡng này được xây dựng dựa trên những ước tính có bao nhiêu hạt cuối cùng phân hủy thành neutralino đã được tạo ra trong vũ trụ sơ khai.

Hai thí nghiệm khác trước đây đã phát hiện ra những dấu hiệu của vật chất tối khối lượng thấp, CoGeNT, đặt trong một mỏ quặng ở Soudan, Minnesota, và DAMA, cũng chôn sâu bên dưới dãy Gran Sasso, cả hai đều nhìn thấy những dấu hiệu được cho là do những hạt có khối lượng từ 7 đến 20 GeV gây ra.

Nhưng những kết quả mới trên mâu thuẫn với hai thí nghiệm vật chất tối, CDMS II, đặt trong mỏ quặng Soudan, và XENON100 bên trong dãy Gran Sasso. Cả hai thí nghiệm không nhìn thấy dấu hiệu nào của vật chất tối hết.

20 phát hiệm của CRESST II không phải là kết quả đủ mạnh để giải quyết tình trạng lộn xộn và khẳng định một phát hiện vật chất tối – chúng có thể vẫn là những hạt đã biết như tia vũ trụ. “Đơn giản là chúng tôi chưa biết đủ để nói ra bất kì kết luận nào. Chúng tôi cần có thêm số liệu”, phát biểu của Belli Pierluigi, thuộc Viện Vật lí Hạt nhân quốc gia Italy ở Rome, một thành viên của nhóm DAMA.

Các thành viên đội CRESST II sẽ tiếp tục thí nghiệm trên và hi vọng giới thiệu những kết quả nhạy hơn trong năm tới. Rafael Lang, một thành viên của đội XENON100 tại trường Đại học Purdue ở Indiana, Mĩ, háo hức chờ đón chúng. “Nếu tín hiệu của họ vẫn còn, thì điều đó thật sự rất hấp dẫn”, ông nói.

“Các kết quả CREST II và những bất đồng dễ thấy trên có thể là những phớt thoáng đầu tiên của cái gì đó hoàn toàn bất ngờ”, ông nói. “Nó có thể là cái gì đó hoàn toàn mới. Thay vì vật chất tối, chúng ta có thể nhìn thấy những đỉnh cao nhất của một diện mạo vật lí mới kì lạ nào đó”.

Vật chất tối càng lúc càng khó hiểu

Giống như mọi thiên hà khác, Dải Ngân hà của chúng ta là ngôi nhà của một chất liệu kì lạ gọi là vật chất tối. Vật chất tối không nhìn thấy được, chỉ để lộ sự hiện diện của nó qua lực hút hấp dẫn của nó. Không có vật chất tối giữ chúng lại với nhau, những ngôi sao tốc độ cao của thiên hà của chúng ta sẽ bay ra xa theo mọi hướng. Bản chất của vật chất tối là một bí ẩn – một bí ẩn mà một nghiên cứu mới đây còn làm cho thêm sâu sắc.

“Sau khi hoàn thành nghiên cứu này, chúng tôi biết về vật chất tối còn ít hơn trước đây nữa”, phát biểu của tác giả Matt Walker tại Trung tâm Thiên văn Vật lí Harvard-Smithsonian.

Mô hình vũ trụ chính thống hiện nay mô tả một vũ trụ bị thống trị bởi năng lượng tối và vật chất tối. Đa số các nhà thiên văn giả định rằng vật chất tối gồm những hạt kì lạ “lạnh” (tức là chuyển động chậm) co cụm lại với nhau do sự hấp dẫn. Theo thời gian, những cụm vật chất tối này lớn dần và hút lấy vật chất bình thường, tạo ra những thiên hà mà chúng ta thấy ngày nay.


Các nhà vũ trụ học sử dụng những máy vi tính mạnh để mô phỏng quá trình này. Những mô phỏng của họ cho thấy vật chất tối sẽ ép đặc tại tâm của các thiên hà. Thay vậy, những phép đo mới của hai thiên hà lùn cho thấy chúng chứa một sự phân bố vật chất tối đồng đều. Điều này cho thấy mô hình vũ trụ học chính thống có lẽ là không đúng.

“Những số đo của chúng ta mâu thuẫn với một tiên đoán cơ bản về cấu trúc của vật chất tối lạnh trong những thiên hà lùn. Trừ khi hoặc cho đến khi các nhà lí thuyết có thể cải tiến tiên đoán đó, vật chất tối lạnh là không phù hợp với dữ liệu quan trắc của chúng tôi”, Walker nói.

Những thiên hà lùn gồm tới 99% vật chất tối và chỉ 1% vật chất bình thường như các ngôi sao. Sự chênh lệch này khiến thiên hà lùn là mục tiêu lí tưởng cho các nhà thiên văn đi tìm cách hiểu vật chất tối.

Walker và đồng tác giả của ông, Jorge Peñarrubia (Đại học Cambridge, Anh quốc) đã phân tích sự phân bố vật chất tối trong hai láng giềng của Dải Ngân hà: hai thiên hà lùn Fornax và Sculptor. Những thiên hà này chứa một triệu đến 10 triệu ngôi sao, so với khoảng 400 tỉ ngôi sao trong thiên hà của chúng ta. Đội nghiên cứu đã đo vị trí, tốc độ và những thành phần hóa học cơ bản của 1500 đến 2500 ngôi sao.

“Những ngôi sao trong một thiên hà lùn giống như những con ong trong tổ ong thay vì chuyển động trong những quỹ đạo tròn xinh đẹp giống như một thiên hà xoắn ốc”, Peñarrubia giải thích. “Điều đó khiến việc xác định sự phân bố của vật chất tối trở nên khó khăn hơn nhiều”.

Dữ liệu của họ cho thấy trong cả hai trường hợp, vật chất tối phân bố đồng đều trên một vùng tương đối rộng lớn, bề rộng đến vài trăm năm ánh sáng. Kết quả này trái với dự đoán rằng mật độ vật chất tối sẽ tăng nhanh về phía tâm của những thiên hà này.

“Nếu một thiên hà lùn là một trái đào, thì mô hình vũ trụ học chính thống nói rằng chúng ta sẽ tìm thấy một ‘hạt đào’ vật chất tối tại chính giữa. Thay vậy, hai thiên hà lùn đầu tiên mà chúng tôi nghiên cứu lại giống như những quả đào không hạt vậy”, Peñarrubia nói.

Một số người từng đề xuất rằng các tương tác giữa vật chất bình thường và vật chất tối có thể làm phân tán vật chất tối, nhưng những mô phỏng hiện nay không biểu hiện xảy ra như vậy trong những thiên hà lùn. Những phép đo mới trên hàm ý rằng hoặc là vật chất bình thường ảnh hưởng lên vật chất tối nhiều hơn so với trông đợi, hoặc là vật chất tối không hề “lạnh”. Đội nghiên cứu hi vọng có thể xác định rõ trường hợp nào đúng bằng cách nghiên cứu thêm nhiều thiên hà lùn nữa, nhất là những thiên hà có tỉ lệ vật chất tối cao hơn.