Nghiên cứu mới cho thấy nếu vật chất tối được cấu tạo từ "photon tối" (dark photon), chúng sẽ không làm nóng vũ trụ sơ khai như các nhà khoa học từng nghĩ. Nếu đúng, phát hiện này có thể tạo ra một bước ngoặt trong cuộc tìm kiếm loại vật chất bí ẩn nhất của vũ trụ.
Vật chất tối vẫn rất khó phát hiện mặc dù có khối lượng lớn gấp 5 lần vật chất thông thường – vật chất cấu tạo nên các ngôi sao, hành tinh, vệ tinh và cơ thể chúng ta - do nó gần như hoàn toàn vô hình. Đó là bởi vật chất tối không tương tác với ánh sáng. Và thực tế là electron, proton và neutron có tương tác với ánh sáng (hay chính xác hơn là bức xạ điện từ) đã thúc đẩy việc tìm kiếm các hạt nằm ngoài Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, dẫn đến rất nhiều giả thuyết tiềm năng về vật chất tối.
Một trong những giả thuyết này là photon tối, phiên bản của photon trong vũ trụ tối, mang một lực khác với lực điện từ, vốn do các photon thông thường đảm nhiệm.
Khi photon tối được xem xét trong các nghiên cứu trước đây, các nhà khoa học kết luận rằng chúng sẽ biến đổi thành photon thông thường khi vẫn còn nằm trong lớp “súp” dày đặc lấp đầy vũ trụ sơ khai. Biến đổi đó làm nóng plasma vốn đã nóng khủng khiếp và để lại những dấu vết có thể phát hiện của các photon tối.
Điều này giới hạn các tham số để tìm kiếm mà qua đó photon tối có thể tồn tại - nghiêm ngặt đến mức nhiều quan sát vũ trụ học loại trừ sự tồn tại của photon tối.
Giờ đây, các mô phỏng máy tính mới cho thấy việc bác bỏ photon tối có thể đã hơi vội vàng. Sự chuyển đổi từ photon tối thành photon hẳn đã dừng lại trước khi quá trình gia nhiệt đáng kể có thể xảy ra. Điều đó cho thấy cần xem xét lại những vùng tham số từng bị loại trừ.
“Những loại trừ này cho rằng độ mạnh của vật chất tối phải yếu hơn 108 lần so với mức thực tế mà nó có thể đạt tới,” thành viên nhóm nghiên cứu Anson Hook tại Đại học Maryland cho biết. “Bài báo này mở ra rất nhiều khả năng mới để tìm kiếm vật chất tối.”
Hình minh họa về photon tối. Nguồn: Robert Lea (tạo bởi Canva)
Nhóm nghiên cứu đứng sau công trình này lần đầu tiên nhận thấy những dấu hiệu cho thấy sự biến đổi từ photon tối thành photon có thể không đơn giản như các nhà khoa học từng giả định, khi họ nhận ra mức năng lượng liên quan lớn một cách đáng ngờ. Họ nghi ngờ rằng vấn đề nằm ở việc quá trình này được xem xét theo dạng tuyến tính; nói cách khác, năng lượng được giải phóng sẽ dần dần và đều đặn chuyển thành plasma.
“Cách xử lý trong 15 năm qua là cách xử lý tuyến tính. Nếu sử dụng phép xấp xỉ đó, bạn có thể tính được lượng năng lượng truyền đi, và nó rất lớn,” thành viên nhóm nghiên cứu Junwu Huang thuộc Viện Perimeter cho biết. “Và tôi nhận ra rằng điều đó là không thể.”
Khi thực hiện những mô phỏng máy tính đầu tiên, Huang và các đồng nghiệp nhận ra rằng quá trình tuyến tính không thể mô tả đầy đủ bức tranh.
“Điều chúng tôi nhận ra là khi bạn chuyển hóa năng lượng vào plasma của Mô hình Chuẩn, plasma thực sự trở nên hỗn loạn,” Huang nói. “Có rất nhiều tính phi tuyến trong hệ, và những tính phi tuyến này về cơ bản làm dừng quá trình chuyển hóa năng lượng sau khi chỉ một lượng năng lượng rất nhỏ được chuyển hóa.”
Nghiên cứu này mở rộng đáng kể các tham số mà photon tối có thể tồn tại, qua đó mở rộng “phạm vi tìm kiếm”. Trên thực tế, nó cũng có thể tác động đến cuộc tìm kiếm các hạt giả thuyết nằm ngoài Mô hình Chuẩn của vật lý hạt.
“Bằng cách tính toán chính xác plasma của vũ trụ sơ khai, các thí nghiệm sẽ khảo sát những không gian tham số mới và có khả năng phát hiện được thứ gì đó,” thành viên nhóm nghiên cứu Mohamad Shalaby thuộc Perimeter Institute cho biết.
Nghiên cứu của nhóm được công bố ngày 13 tháng 8 trên tạp chí Physical Review Letters.
Nguyễn Đình Thành
Theo Space
