Vật chất tối bí ẩn có thể là di tích vũ trụ từ các chiều không gian khác

Một vật chất rất khó nắm bắt và kỳ lạ - vật chất tối chiếm phần lớn khối lượng của vũ trụ, và nó có thể bao gồm các hạt hấp dẫn xuất hiện lần đầu tiên sau Vụ nổ lớn. Và Graviton là những hạt cơ bản được đề xuất dựa trên khuôn khổ của lý thuyết trường lượng tử mà sự trao đổi lượng tử của nó có thể tạo ra lực hấp dẫn. Một lý thuyết mới cho rằng những hạt giả thuyết này có thể là di tích vũ trụ từ các chiều không gian phụ.

Tính toán của các nhà nghiên cứu cho thấy có thể trong vũ trụ hiện tại chỉ có đủ lượng hạt này để giải thích vật chất tối. Hiện tại, các nhà vật lý vẫn chưa thực sự quan sát được sự tồn tại của vật chất tối, và chỉ có thể "quan sát" nó thông qua hiệu ứng hấp dẫn của nó đối với vật chất thông thường. Trước đây, quá trình này được cho là rất khó xảy ra, vì vậy một số lượng lớn các hạt hấp dẫn không thể là ứng cử viên của vật chất tối.

Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Physical Review Letters vào tháng 2, các nhà vật lý phát hiện ra rằng vũ trụ sơ khai có thể đã tạo ra một số lượng lớn các hạt hấp dẫn, đủ để giải thích vật chất tối hiện đang phát hiện trong vũ trụ.

Nghiên cứu phát hiện ra rằng nếu graviton trong vũ trụ sơ khai tồn tại, thì khối lượng của chúng sẽ nhỏ hơn 1MeV và không quá hai lần khối lượng của một electron. Mức khối lượng này thấp hơn nhiều so với quy mô mà tại đó boson Higgs tạo ra khối lượng của vật chất thông thường - chìa khóa của mô hình tạo ra đủ boson Higgs để giải thích tất cả vật chất tối trong vũ trụ. (Để so sánh, hạt nhẹ nhất được biết đến, một neutrino, có khối lượng nhỏ hơn 2 eV, trong khi một proton có khối lượng khoảng 940 MeV, theo Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ).

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra những trọng lực giả định này trong khi tìm kiếm bằng chứng về các chiều không gian phụ. Một số nhà vật lý nghi ngờ rằng có những chiều không gian bổ sung ngoài không gian ba chiều và thời gian chiều thứ tư mà chúng ta đã quan sát được. Theo lý thuyết của nhóm nghiên cứu, khi lực hấp dẫn di chuyển qua các chiều không gian bổ sung, nó sẽ bật lên trong vũ trụ của chúng ta dưới dạng các hạt hấp dẫn lớn.

Tuy nhiên, những hạt này chỉ có thể tương tác yếu với vật chất thông thường, và chỉ thông qua lực hấp dẫn. Mô tả này rất giống với những gì hiện đã biết về các đặc tính của vật chất tối: vật chất tối không tương tác với ánh sáng, nhưng có hiệu ứng hấp dẫn có thể cảm nhận được ở bất kỳ đâu trong vũ trụ. Ví dụ, các nhà vật lý tin rằng tác động hấp dẫn của vật chất tối là thứ ngăn các thiên hà phân tách.

Trong thuyết tương đối rộng, lực hấp dẫn được xem như một hiện tượng hình học, là độ cong của không-thời gian. Trong vật lý hiện nay, ý tưởng này đã đạt được thành công lớn. Mặt khác, quan điểm của cơ học lượng tử cho rằng lực được tạo ra bởi sự trao đổi các gói năng lượng rời rạc (tức là lượng tử). Các lượng tử khác nhau tạo ra các lực khác nhau. Dựa trên quan điểm này, Mô hình Chuẩn của Vật lý Lượng tử tin rằng các tương tác cơ bản được tạo ra bởi sự trao đổi lượng tử và đề xuất lý thuyết về boson đo, chẳng hạn như lực điện từ được tạo ra bởi sự trao đổi photon, và lực hạt nhân yếu được tạo ra bởi W và Thủy tinh Z Sự trao đổi dons được tạo ra, cũng như lực hạt nhân mạnh được tạo ra bởi sự trao đổi của các gluon. Lý thuyết dự đoán rằng lực hấp dẫn cũng nên được tạo ra bởi sự trao đổi của một số loại boson, được gọi là graviton.

Ưu điểm chính của giả thuyết về số lượng lớn các hạt hấp dẫn là hạt vật chất tối là các hạt này chỉ tương tác thông qua lực hấp dẫn và do đó tránh được các nỗ lực phát hiện sự tồn tại của chúng, trái ngược với các ứng cử viên vật chất tối khác - chẳng hạn như các hạt tương tác yếu cực lớn (WIMP), axion và neutrino - cũng có thể được phát hiện thông qua các tương tác rất tinh vi của chúng với các lực và trường khác. Nhiều nhà khoa học tin rằng WIMP là ứng cử viên hứa hẹn nhất cho vật chất tối, nhưng nghiên cứu mới nhất cho biết vật chất tối nên nhỏ hơn WIMP. Hiện có một số thí nghiệm tìm kiếm các hạt WIMP trên lý thuyết phải được thực hiện dưới lòng đất để tránh bị các tia vũ trụ giao thoa.

Thực tế là một số lượng lớn các hạt hấp dẫn hầu như không tương tác với các hạt và lực khác trong vũ trụ thông qua lực hấp dẫn mang lại một lợi thế khác. Bởi vì tương tác của chúng rất yếu, chúng phân rã chậm đến mức vẫn ổn định trong suốt thời gian tồn tại của vũ trụ, cũng vì lý do đó mà chúng được tạo ra từ từ trong quá trình giãn nở của vũ trụ, tích tụ liên tục cho đến ngày nay.

Các nhà vật lý trước đây cho rằng các hạt hấp dẫn khó có thể là ứng cử viên cho vật chất tối vì quá trình tạo ra chúng là cực kỳ hiếm. Vì vậy, graviton được tạo ra với tỷ lệ thấp hơn nhiều so với các hạt khác. Nhưng nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng trong một phần nghìn tỷ giây sau Vụ nổ lớn, có thể có nhiều lực hấp dẫn hơn nhiều so với những lý thuyết trước đây đã nghĩ. Sự gia tăng số lượng này là đủ để cho phép các graviton giải thích đầy đủ về lượng vật chất tối mà chúng ta đã phát hiện trong vũ trụ, nghiên cứu cho thấy.

Vì một số lượng lớn các hạt hấp dẫn được hình thành dưới thang năng lượng của boson Higgs, chúng không chịu sự bất định liên quan đến các thang năng lượng cao hơn, điều mà vật lý hạt hiện nay không thể mô tả chính xác. Lý thuyết của nhóm nghiên cứu liên kết vật lý được nghiên cứu tại các máy gia tốc hạt như Máy va chạm Hadron Lớn (LHC) với vật lý của lực hấp dẫn. Điều này có nghĩa là các máy gia tốc hạt rất lớn như Máy va chạm Hình tròn Tương lai (FCC) của CERN có thể được sử dụng để tìm kiếm bằng chứng về các hạt vật chất tối tiềm năng này. FCC sẽ có kích thước gấp bốn lần LHC, máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới, và sẽ có năng lượng tác động gấp sáu lần LHC. Theo kế hoạch, máy gia tốc sẽ bắt đầu hoạt động vào năm 2035.