Khám phá: hạt graviton là nguồn gốc của vật chất tối?

Các hạt graviton có khối lượng có thể đã hình thành một phần nghìn tỷ giây sau Vụ nổ lớn, với lượng dư thừa đủ lớn để tạo thành vật chất tối.

Vật chất tối, chất bí ẩn chiếm phần lớn khối lượng trong vũ trụ, có thể được tạo thành từ các hạt có khối lượng gọi là graviton, lần đầu tiên xuất hiện trong khoảnh khắc đầu tiên sau Vụ nổ lớn. Và những hạt giả thuyết này có thể là “những kẻ tị nạn” của vũ trụ ẩn nấp ở các chiều không gian khác, một lý thuyết mới cho thấy.

Các tính toán của các nhà nghiên cứu gợi ý rằng những hạt này có thể đã được tạo ra với số lượng phù hợp để giải thích vật chất tối, thứ chỉ có thể được “nhìn thấy” thông qua lực hấp dẫn của nó đối với vật chất thông thường. Đồng tác giả nghiên cứu Giacomo Cacciapaglia, nhà vật lý tại Đại học Lyon, Pháp, nói với Live Science rằng: “Các hạt graviton có khối lượng được tạo ra bởi sự va chạm của các hạt thông thường trong vũ trụ sơ khai. Quá trình này được cho là quá hiếm để các graviton lớn là ứng cử viên của vật chất tối.”

Nhưng trong một nghiên cứu mới được công bố vào tháng 2 trên tạp chí Physical Review Letters, Cacciapaglia, cùng với các nhà vật lý Đại học Hàn Quốc Haiying Cai và Seung J. Lee, phát hiện ra rằng các hạt graviton đã được tạo ra đủ trong giai đoạn sơ khai của Vũ trụ, điều này giải thích cho sự tồn của các vật chất tối mà chúng ta hiện đang tìm kiếm trong vũ trụ.

Graviton có khối lượng nhỏ, chỉ tương tác yếu với vật chất thông thường thông qua lực hấp dẫn

Nghiên cứu cho thấy các hạt graviton, nếu chúng tồn tại, sẽ có khối lượng nhỏ hơn 1 megaelectronvolt (MeV), vì vậy khối lượng của một electron không lớn hơn hai lần một graviton. Mức khối lượng này thấp hơn nhiều so với quy mô mà hạt Higgs boson tạo ra khối lượng cho vật chất thông thường – đây là chìa khóa để mô hình có đủ các hạt có vai trò trong việc tạo ra tất cả vật chất tối trong vũ trụ. (Ghi chú:, hạt nhẹ nhất được biết đến, neutrino, nhẹ hơn 2 electronvolt, trong khi một proton nặng khoảng 940 MeV, theo Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia, Hoa Kỳ).

Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy những hạt graviton giả định này trong khi tìm kiếm bằng chứng về các chiều không gian bổ sung, mà một số nhà vật lý nghi ngờ tồn tại cùng với không gian ba chiều quan sát được và chiều không gian thứ tư, thời gian.

Theo lý thuyết của nhóm nghiên cứu, khi lực hấp dẫn lan truyền qua các chiều không gian bổ sung, nó vật chất hóa trong vũ trụ của chúng ta dưới dạng các hạt graviton có khối lượng.

Nhưng những hạt này sẽ chỉ tương tác yếu với vật chất thông thường, và chỉ thông qua lực hấp dẫn. Mô tả này tương tự một cách kỳ lạ với những gì chúng ta biết về vật chất tối, vật chất không tương tác với ánh sáng nhưng lại có ảnh hưởng hấp dẫn ở khắp mọi nơi trong vũ trụ. Ví dụ, ảnh hưởng của lực hấp dẫn này là thứ ngăn cản các thiên hà rời xa nhau.

Cacciapaglia cho biết: “Ưu điểm chính của các hạt graviton có khối lượng với tư cách là các hạt vật chất tối là chúng chỉ tương tác với lực hấp dẫn, do đó chúng có thể thoát khỏi những nỗ lực [của con người nhằm] phát hiện của sự hiện diện của chúng.”

Ngược lại, các ứng cử viên vật chất tối khác được đề xuất – chẳng hạn như các hạt có khối lượng tương tác yếu, axion và neutrino – cũng có thể được cảm nhận bằng các tương tác rất tinh vi của chúng với các lực và các trường khác.

Thực tế là các hạt graviton có khối lượng hầu như không tương tác thông qua lực hấp dẫn với các hạt và lực khác trong vũ trụ, điều này mang lại một ưu điểm khác.

Sự tạo thành hạt graivton trong Vũ trụ sơ khai

“Do tương tác của chúng rất yếu, chúng phân hủy chậm đến mức chúng vẫn ổn định trong suốt thời gian tồn tại của vũ trụ,” Cacciapaglia cho biết, “vì lý do tương tự, chúng được sinh ra từ từ trong quá trình mở rộng của vũ trụ và tích tụ ở đó cho đến tận ngày nay.”

Trước đây, các nhà vật lý cho rằng các hạt graviton khó có thể là ứng cử viên vật chất tối vì các quá trình tạo ra chúng là cực kỳ hiếm, điều này khiến cho các hạt graviton sẽ được tạo ra với tốc độ thấp hơn nhiều so với các hạt khác.

Nhưng nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng trong picosecond (phần nghìn tỷ giây) sau vụ nổ Big Bang, nhiều hạt graviton có thể được tạo ra hơn các lý thuyết trước đây đề xuất. Nghiên cứu phát hiện ra rằng sự tăng cường này đã tạo đủ các hạt graviton có khối lượng để giải thích hoàn toàn lượng vật chất tối mà chúng ta phát hiện trong vũ trụ.

Cacciapaglia nói: “Sự tăng cường này đã gây ra một cú sốc. Chúng tôi đã phải thực hiện nhiều lần kiểm tra để đảm bảo rằng kết quả là chính xác, vì nó dẫn đến sự thay đổi mô hình theo cách mà chúng ta coi các hạt graviton có khối lượng là ứng cử viên tiềm năng cho vật chất tối.”

Lý thuyết của nhóm nghiên cứu kết nối các kết quả nghiên cứu vật lý được thực hiện tại các máy gia tốc hạt như Máy gia tốc hạt lớn với kết quả nghiên cứu vật lý về lực hấp dẫn. Điều này khiến các nhà khoa học hy vọng rằng có thể tìm được bằng chứng tồn tại của các hạt vật chất tối tiềm năng này vào năm 2035 khi mà Máy gia tốc Vòng tròn Tương lai tại  CERN (Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu) đi vào hoạt động.

Cacciapaglia nói: “Có lẽ bức ảnh tốt nhất mà chúng tôi có được [về sự tồn tại của vật chất tối] là tại các máy gia tốc hạt có độ chính xác cao trong tương lai.”

Theo Live Science

Thiện Tâm biên dịch

Xem thêm: