Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Năm 1983, nhà vật lý lý thuyết Pierre Sikivie phát hiện ra rằng các trục có một đặc tính đáng chú ý khác: Khi có trường điện từ, chúng đôi khi chuyển đổi một cách tự phát thành các photon dễ phát hiện. Thứ từng được cho là hoàn toàn không thể phát hiện được, hóa ra lại có khả năng phát hiện được miễn là có nồng độ axion đủ cao và từ trường mạnh.
Vào những năm 1970, các nhà vật lý đã khám phá ra một vấn đề với Mô hình chuẩn của vật lý hạt – lý thuyết mô tả ba trong bốn lực cơ bản của tự nhiên (điện từ, tương tác yếu và mạnh; lực thứ tư là lực hấp dẫn). Họ phát hiện ra rằng, trong khi lý thuyết dự đoán rằng sự đối xứng giữa các hạt và lực trong Vũ trụ của chúng ta và một phiên bản gương sẽ bị phá vỡ, thì các thí nghiệm lại nói ngược lại. Sự không phù hợp giữa lý thuyết và quan sát này được gọi là “vấn đề CP mạnh” – CP là viết tắt của Charge + Parity. Vấn đề CP là gì, và tại sao nó đã khiến các nhà khoa học bối rối trong gần nửa thế kỷ?
Trong Mô hình Chuẩn, điện từ là đối xứng dưới C (liên hợp điện tích), nó thay thế các hạt bằng phản hạt; P (parity), thay thế tất cả các hạt bằng các đối tác ảnh phản chiếu của chúng; và, T (đảo ngược thời gian), thay thế các tương tác đi về phía trước với các tương tác đi ngược thời gian, cũng như sự kết hợp của các phép toán đối xứng CP, CT, PT và CPT. Điều này có nghĩa là các thí nghiệm nhạy cảm với tương tác điện từ sẽ không thể phân biệt các hệ ban đầu với các hệ đã được biến đổi bởi một trong các phép toán đối xứng nói trên.
Trong trường hợp tương tác điện từ, lý thuyết này rất phù hợp với các quan sát. Như dự đoán, vấn đề nằm ở một trong hai lực hạt nhân – “lực tương tác mạnh.” Hóa ra, lý thuyết cho phép vi phạm phép toán đối xứng kết hợp CP (hạt phản xạ trong gương và sau đó thay đổi hạt thành phản hạt) đối với cả tương tác yếu và mạnh. Tuy nhiên, các vi phạm SXSH cho đến nay chỉ được quan sát thấy do tương tác yếu.
Cụ thể hơn, đối với các tương tác yếu, vi phạm CP xảy ra ở mức xấp xỉ 1 trong 1.000 và nhiều nhà khoa học dự kiến mức vi phạm tương tự đối với các tương tác mạnh. Tuy nhiên, các nhà thực nghiệm đã tìm kiếm vi phạm CP một cách rộng rãi nhưng vô ích. Nếu nó xảy ra trong tương tác mạnh, nó bị triệt tiêu bởi hơn một tỷ (10⁹).
Năm 1977, các nhà vật lý lý thuyết Roberto Peccei và Helen Quinn đề xuất một giải pháp khả thi: họ đưa ra giả thuyết về một đối xứng mới ngăn chặn các điều kiện vi phạm CP trong tương tác mạnh, do đó làm cho lý thuyết này khớp với các quan sát. Ngay sau đó, Steven Weinberg và Frank Wilczek – cả hai đều lần lượt đoạt giải Nobel vật lý năm 1979 và 2004 – nhận ra rằng cơ chế này tạo ra một hạt hoàn toàn mới. Cuối cùng Wilczek đã đặt tên cho hạt mới này là “axion”, theo tên một loại chất tẩy rửa bát đĩa phổ biến có cùng tên, vì khả năng “làm sạch” vấn đề CP mạnh.
Axion phải là một hạt cực kỳ nhẹ, có số lượng cực lớn và không có điện tích. Do những đặc điểm này, axion là ứng cử viên vật chất tối tuyệt vời. Vật chất tối chiếm khoảng 85% khối lượng của Vũ trụ, nhưng bản chất cơ bản của nó vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất của khoa học hiện đại. Phát hiện ra rằng vật chất tối được tạo thành từ các axion sẽ là một trong những khám phá vĩ đại nhất của khoa học hiện đại.
Năm 1983, nhà vật lý lý thuyết Pierre Sikivie phát hiện ra rằng các trục có một đặc tính đáng chú ý khác: Khi có trường điện từ, chúng đôi khi chuyển đổi một cách tự phát thành các photon dễ phát hiện. Thứ từng được cho là hoàn toàn không thể phát hiện được, hóa ra lại có khả năng phát hiện được miễn là có nồng độ axion đủ cao và từ trường mạnh.
Một số từ trường mạnh nhất của Vũ trụ bao quanh các ngôi sao neutron. Vì những vật thể này cũng rất lớn, chúng cũng có thể thu hút rất nhiều hạt vật chất tối axion. Vì vậy, các nhà vật lý đã đề xuất tìm kiếm tín hiệu trục trong các vùng xung quanh của sao neutron. Giờ đây, một nhóm nghiên cứu quốc tế, bao gồm Viện Vật lý và Toán học Vũ trụ Kavli (Kavli IPMU) postdoc Oscar Macias, đã thực hiện chính xác điều đó với hai kính thiên văn vô tuyến – Kính viễn vọng Ngân hàng Xanh Robert C. Byrd ở Mỹ, và Kính viễn vọng vô tuyến 100 m Effelsberg ở Đức.
Mục tiêu của cuộc tìm kiếm này là hai ngôi sao neutron gần đó được biết là có từ trường mạnh, cũng như trung tâm của Dải Ngân hà, được ước tính là nơi chứa nửa tỷ ngôi sao neutron. Nhóm nghiên cứu đã lấy mẫu các tần số vô tuyến trong dải tần 1 GHz, tương ứng với khối lượng trục là 5-11 micro electron-volt. Vì không có tín hiệu nào được nhìn thấy, nhóm nghiên cứu đã có thể áp đặt giới hạn mạnh nhất cho đến nay đối với các hạt vật chất tối axion có khối lượng vài micro electron-volt.
Nguồn truyện:
Tài liệu do Viện Vật lý và Toán học của Vũ trụ Kavli cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :