Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Từ ‘quasiparticles’ được gọi là nam châm có thể giúp các nhà khoa học phát hiện vật chất tối.
Từ những năm 1980, các nhà nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm tìm kiếm các hạt tạo nên vật chất tối, một chất vô hình thấm vào thiên hà và vũ trụ của chúng ta. Vật chất tối được tạo ra bởi vì nó không phát ra ánh sáng, chất này cấu thành hơn 80% vật chất trong vũ trụ của chúng ta, đã được chứng minh nhiều lần ảnh hưởng đến vật chất thông thường thông qua lực hấp dẫn của nó. Các nhà khoa học biết nó ở ngoài đó nhưng không biết nó là gì.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu tại Caltech dẫn đầu bởi Kathryn Zurek, giáo sư vật lý lý thuyết, đã quay lại bảng vẽ để nghĩ ra những ý tưởng mới. Họ đã xem xét khả năng vật chất tối được tạo thành từ các hạt “khu vực ẩn”, nhẹ hơn các hạt được đề xuất trước đây, và theo lý thuyết, có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng các thiết bị đầu bảng nhỏ, dưới lòng đất. Ngược lại, các nhà khoa học đang tìm kiếm các ứng cử viên vật chất tối nặng hơn gọi là WIMP (các hạt lớn tương tác yếu) bằng các thí nghiệm quy mô lớn như XENON, được lắp đặt dưới lòng đất trong một bể chứa nước 70.000 gallon ở Ý.
“Vật chất tối luôn chảy qua chúng ta, ngay cả trong căn phòng này”, Zurek, người đầu tiên đề xuất các hạt ngành ẩn trong hơn một thập kỷ trước. “Khi chúng ta di chuyển quanh trung tâm thiên hà, cơn gió vật chất tối ổn định này hầu như không được chú ý. Nhưng chúng ta vẫn có thể tận dụng nguồn vật chất tối đó và thiết kế những cách mới để tìm kiếm sự tương tác hiếm hoi giữa gió vật chất tối và gió máy dò. “
Trong một bài báo mới được chấp nhận để công bố trên tạp chí Vật lý Đánh giá (Physical Review Letters), các nhà vật lý phác thảo làm thế nào các hạt vật chất tối có trọng lượng nhẹ hơn có thể được phát hiện thông qua một loại quasiparticle được gọi là một hạt phóng đại. Một quasiparticle là một hiện tượng nổi lên xảy ra khi một chất rắn hoạt động như thể nó chứa các hạt tương tác yếu. Nam châm là một loại quasiparticle trong đó các spin điện tử – hoạt động giống như nam châm nhỏ – được kích thích tập thể. Trong ý tưởng của các nhà nghiên cứu về một thí nghiệm trên bàn, một vật liệu kết tinh từ tính sẽ được sử dụng để tìm kiếm các dấu hiệu của các nam châm kích thích được tạo ra bởi vật chất tối.
“Nếu các hạt vật chất tối nhẹ hơn proton, việc phát hiện tín hiệu của chúng bằng các phương pháp thông thường sẽ trở nên rất khó khăn”, tác giả nghiên cứu Trịnh Khang (Kevin) Zhang, một học giả sau tiến sĩ tại Caltech nói. “Nhưng, theo nhiều mô hình có động lực tốt, đặc biệt là những mô hình liên quan đến các khu vực ẩn, các hạt vật chất tối có thể kết hợp với các spin của electron, do đó một khi chúng tấn công vật liệu, chúng sẽ gây ra sự kích thích spin hoặc nam châm. Nếu chúng ta giảm tiếng ồn nền bằng cách làm mát thiết bị và di chuyển nó dưới lòng đất, chúng ta có thể hy vọng phát hiện các nam châm được tạo ra chỉ bởi vật chất tối chứ không phải vật chất thông thường. “
Một thí nghiệm như vậy chỉ mang tính lý thuyết vào thời điểm này nhưng cuối cùng có thể diễn ra bằng cách sử dụng các thiết bị nhỏ đặt dưới lòng đất, có khả năng trong mỏ, nơi ảnh hưởng bên ngoài từ các hạt khác, chẳng hạn như các tia trong vũ trụ, có thể được giảm thiểu.
Một dấu hiệu nhận biết về phát hiện vật chất tối trong các thí nghiệm trên bàn sẽ là những thay đổi đối với tín hiệu phụ thuộc vào thời gian trong ngày. Điều này là do thực tế là các tinh thể từ tính được sử dụng để phát hiện vật chất tối có thể dị hướng, nghĩa là các nguyên tử được sắp xếp tự nhiên theo cách mà chúng có xu hướng tương tác với vật chất tối mạnh hơn khi vật chất tối xuất hiện. trong từ các hướng nhất định.
Khi Trái đất di chuyển qua quầng sáng vật chất tối của thiên hà, nó cảm thấy gió vật chất tối thổi từ hướng hành tinh đang di chuyển. Một máy dò cố định tại một vị trí nhất định trên Trái đất quay cùng hành tinh, do đó gió vật chất tối đánh vào nó từ các hướng khác nhau vào các thời điểm khác nhau trong ngày, đôi khi từ phía trên, đôi khi từ phía bên.
Ví dụ, vào ban ngày, chúng ta có thể có tỷ lệ phát hiện cao hơn khi vật chất tối đến từ phía trên so với từ bên cạnh. Nếu chúng ta thấy điều đó, nó sẽ khá ngoạn mục và là dấu hiệu rất mạnh cho thấy bạn đang nhìn thấy vật chất tối.
Các nhà nghiên cứu có những ý tưởng khác về cách vật chất tối có thể tự tiết lộ, ngoài việc thông qua các nam châm. Họ đã đề xuất rằng các hạt vật chất tối nhẹ hơn có thể được phát hiện thông qua các photon cũng như với một loại quasiparticle khác gọi là phonon, gây ra bởi sự rung động trong mạng tinh thể. Các thí nghiệm sơ bộ dựa trên photon và phonon đang được tiến hành tại UC Berkeley, nơi nhóm nghiên cứu được đặt trước khi Zurek gia nhập khoa Caltech vào năm 2019. Các nhà nghiên cứu nói rằng việc sử dụng nhiều chiến lược này để tìm kiếm vật chất tối là rất quan trọng vì chúng bổ sung cho nhau và sẽ giúp xác nhận kết quả của nhau.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Viện Công nghệ California . Bản gốc được viết bởi Whitney Clavin. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :