Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà vật lý lý thuyết cho rằng các hạt chưa từng được quan sát trước đây được gọi là axion có thể là nguồn phát ra tia X năng lượng cao, không giải thích được xung quanh một nhóm sao neutron.
Một nghiên cứu mới do một nhà vật lý lý thuyết tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (Berkeley Lab) cho thấy rằng các hạt chưa từng được quan sát trước đây được gọi là axion có thể là nguồn phát ra tia X năng lượng cao không giải thích được xung quanh nhóm sao neutron.
Lần đầu tiên được đưa ra lý thuyết vào những năm 1970 như một phần của giải pháp cho một vấn đề vật lý hạt cơ bản, các axion dự kiến sẽ được tạo ra ở lõi của các ngôi sao và chuyển đổi thành các hạt ánh sáng, được gọi là photon, trong sự hiện diện của từ trường.
Axion cũng có thể tạo nên vật chất tối – thứ bí ẩn chiếm khoảng 85% tổng khối lượng của vũ trụ, nhưng cho đến nay chúng ta mới chỉ thấy tác động hấp dẫn của nó lên vật chất thông thường. Ngay cả khi tia X dư thừa không phải là axion hay vật chất tối, nó vẫn có thể tiết lộ vật lý mới.
Một tập hợp các sao neutron, được gọi là Magnificent 7, đã cung cấp một giường thử nghiệm tuyệt vời cho sự hiện diện của các trục, vì những ngôi sao này sở hữu từ trường mạnh, tương đối gần – trong vòng hàng trăm năm ánh sáng – và chỉ được mong đợi tạo ra tia X năng lượng thấp và tia cực tím.
“Chúng được biết đến là rất ‘nhàm chán’, và trong trường hợp này thì đó là một điều tốt, Benjamin Safdi, một thành viên Bộ phận trong nhóm lý thuyết Phòng thí nghiệm Berkeley, người đã dẫn đầu một nghiên cứu, cho biết ngày 12 tháng 1 trên tạp chí Physical Review giải thích chi tiết về axion.
Christopher Dessert, một chi nhánh của Phòng Vật lý Phòng thí nghiệm Berkeley đã đóng góp rất nhiều vào nghiên cứu cũng có sự tham gia của các nhà nghiên cứu tại UC Berkeley, Đại học Michigan, Đại học Princeton và Đại học Minnesota.
Nếu các sao neutron thuộc loại được gọi là sao xung, chúng sẽ có bề mặt hoạt động phát ra bức xạ ở các bước sóng khác nhau. Safdi lưu ý rằng bức xạ này sẽ xuất hiện trên phổ điện từ và có thể át đi dấu hiệu tia X mà các nhà nghiên cứu đã tìm thấy hoặc sẽ tạo ra tín hiệu tần số vô tuyến. Nhưng Magnificent 7 không phải là pulsar, và không có tín hiệu radio nào như vậy được phát hiện. Safdi cho biết các giải thích vật lý thiên văn thông thường khác dường như cũng không phù hợp với các quan sát.
Nếu tia X dư thừa được phát hiện xung quanh Magnificent 7 được tạo ra từ một vật thể hoặc các vật thể ẩn sau các ngôi sao neutron, điều đó có thể sẽ hiển thị trong bộ dữ liệu mà các nhà nghiên cứu đang sử dụng từ hai vệ tinh không gian: XMM-Newton của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu và kính thiên văn tia X Chandra của NASA.
Safdi và các cộng sự nói rằng vẫn có khả năng một cách giải thích mới, không trục xuất hiện để giải thích cho sự dư thừa tia X quan sát được, mặc dù họ vẫn hy vọng rằng một lời giải thích như vậy sẽ nằm ngoài Mô hình chuẩn của vật lý hạt và nền tảng mới đó – và các thí nghiệm trong không gian sẽ xác nhận nguồn gốc của tín hiệu tia X năng lượng cao.
Safdi nói rằng: “Chúng tôi khá tự tin rằng sự dư thừa này tồn tại và rất tự tin rằng sẽ có điều gì đó mới mẻ trong số lượng dư thừa này. “Nếu chúng tôi chắc chắn 100% rằng những gì chúng tôi đang thấy là một hạt mới, thì điều đó sẽ rất lớn. Đó sẽ là một cuộc cách mạng trong vật lý.” Ngay cả khi khám phá hóa ra không liên quan đến một hạt mới hoặc vật chất tối, nó sẽ cho chúng ta biết nhiều hơn về vũ trụ của chúng ta, và sẽ có rất nhiều điều để tìm hiểu.”
Raymond Co, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của Đại học Minnesota, người đã cộng tác trong nghiên cứu, cho biết thêm, “Chúng tôi không tuyên bố rằng chúng tôi đã phát hiện ra sợi trục, nhưng chúng tôi nói rằng có thể giải thích thêm các photon tia X bởi axion. Đó là một khám phá thú vị về sự dư thừa trong các photon tia X và đó là một khả năng thú vị đã phù hợp với cách giải thích của chúng tôi về axion. “
Nếu các axion tồn tại, chúng sẽ hoạt động giống như neutrino trong một ngôi sao, vì cả hai sẽ có khối lượng rất nhỏ và chỉ tương tác rất hiếm và yếu với vật chất khác. Chúng có thể được tạo ra rất nhiều ở bên trong các ngôi sao. Các hạt không tích điện được gọi là neutron di chuyển xung quanh các sao neutron, đôi khi tương tác bằng cách tán xạ ra khỏi nhau và giải phóng một neutrino hoặc có thể là một trục. Quá trình phát ra hạt neutrino là cách chủ đạo khiến các sao neutron nguội đi theo thời gian.
Giống như neutrino, các axion sẽ có thể di chuyển ra bên ngoài ngôi sao. Từ trường cực kỳ mạnh bao quanh các ngôi sao Magnificent 7 – mạnh hơn hàng tỷ lần so với từ trường có thể tạo ra trên Trái đất – có thể khiến các trục thoát ra chuyển thành ánh sáng.
Sao neutron là những vật thể vô cùng kỳ lạ và Safdi lưu ý rằng rất nhiều công việc mô hình hóa, phân tích dữ liệu và lý thuyết đã được đưa vào nghiên cứu mới nhất. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng rất nhiều ngân hàng siêu máy tính được gọi là Lawrencium Cluster tại Phòng thí nghiệm Berkeley trong nghiên cứu mới nhất.
Một số công việc này đã được tiến hành tại Đại học Michigan, nơi Safdi đã làm việc trước đây. Ông nói: “Nếu không có siêu máy tính hiệu suất cao hoạt động ở Michigan và Berkeley, thì điều này sẽ không thể thực hiện được.”
“Có rất nhiều quá trình xử lý dữ liệu và phân tích dữ liệu đã đi vào vấn đề này. Bạn phải lập mô hình bên trong của một ngôi sao neutron để dự đoán có bao nhiêu trục sẽ được tạo ra bên trong ngôi sao đó.”
Safdi lưu ý rằng bước tiếp theo trong nghiên cứu này, các ngôi sao lùn trắng sẽ là một nơi chính để tìm kiếm trục vì chúng cũng có từ trường rất mạnh và được cho là “môi trường không có tia X.”
Ông chia sẻ thêm: “Điều này bắt đầu khá hấp dẫn rằng đây là thứ nằm ngoài Mô hình Chuẩn nếu chúng ta thấy tia X dư thừa ở đó.”
Các nhà nghiên cứu cũng có thể sử dụng một kính viễn vọng không gian tia X khác, được gọi là NuStar, để giúp giải quyết bí ẩn dư thừa tia X.
Safdi cho biết anh cũng rất hào hứng với các thí nghiệm trên mặt đất như CAST tại CERN, hoạt động như một kính viễn vọng năng lượng mặt trời để phát hiện các trục được chuyển đổi thành tia X bởi một nam châm mạnh và ALPS II ở Đức, sẽ sử dụng từ trường mạnh mẽ để khiến các trục chuyển thành các hạt ánh sáng ở một bên của vật chắn khi ánh sáng laser chiếu vào phía bên kia của vật chắn.
Axion đã nhận được nhiều sự chú ý hơn khi liên tiếp các thí nghiệm không làm nổi bật các dấu hiệu của WIMP (hạt khối lượng lớn tương tác yếu), một ứng cử viên vật chất tối đầy hứa hẹn khác. Và bức tranh axion không đơn giản như vậy – nó thực sự có thể là một album gia đình.
Có thể có hàng trăm hạt giống axion, hoặc ALP, tạo nên vật chất tối và lý thuyết dây – một lý thuyết ứng cử viên để mô tả các lực của vũ trụ – mở ra sự tồn tại có thể có của nhiều loại ALP.
Nguồn truyện:
Tài liệu do Phòng thí nghiệm Quốc gia DOE / Lawrence Berkeley cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :