Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một nghiên cứu mới cho thấy những con đường mới để bắt tín hiệu của các hạt vật chất tối có năng lượng của chúng được hấp thụ bởi hạt nhân nguyên tử.
Vật chất tối cho đến nay đã thách thức mọi loại máy dò được thiết kế để tìm thấy nó. Do dấu chân hấp dẫn khổng lồ của nó trong không gian, chúng ta biết vật chất tối phải chiếm khoảng 85% tổng khối lượng của vũ trụ nhưng chúng ta chưa biết nó được tạo ra từ cái gì.
Một số thí nghiệm lớn săn tìm vật chất tối đã tìm kiếm dấu hiệu của các hạt vật chất tối gõ vào hạt nhân nguyên tử thông qua quá trình tán xạ, có thể tạo ra các tia sáng nhỏ và các tín hiệu khác trong các tương tác này.
Một nghiên cứu mới dẫn đầu bởi các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) và UC Berkeley của Bộ Năng lượng, gợi ý những con đường mới để bắt tín hiệu của các hạt vật chất tối có năng lượng được hấp thụ bởi các hạt nhân này.
Quá trình hấp thụ có thể tạo ra một nguyên tử bị ảnh hưởng khiến nó phóng ra một hạt năng lượng nhẹ hơn như electron và nó cũng có thể tạo ra các loại tín hiệu khác, tùy thuộc vào bản chất của hạt vật chất tối.
Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào những trường hợp điện tử hoặc neutrino bị đẩy ra khi hạt vật chất tối tấn công hạt nhân nguyên tử.
Được xuất bản ngày 4 tháng 5 trên Tạp chí Vật lý (Physical Review Letters) , nghiên cứu đề xuất rằng một số thí nghiệm hiện có, bao gồm cả những thí nghiệm tìm kiếm các hạt vật chất tối và các quá trình liên quan đến neutrino – những hạt ma quái, có thể phát hiện này có thể xuyên qua hầu hết vật chất và có khả năng biến đổi thành các dạng khác nhau – có thể dễ dàng được mở rộng để tìm kiếm các loại tín hiệu vật chất tối liên quan đến sự hấp thụ này.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đề xuất rằng các tìm kiếm mới trong dữ liệu máy dò hạt thu thập trước đó có thể có thể bật ra các tín hiệu vật chất tối bị bỏ qua này.
Jeff Dror, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ, tác giả chính của nghiên cứu trong Nhóm lý thuyết của Phòng thí nghiệm Berkeley và Trung tâm Vật lý lý thuyết của Berkeley cho biết: “Trong lĩnh vực này, chúng tôi đã có một ý tưởng nhất định về các ứng cử viên có động lực tốt cho vật chất tối, như WIMP hoặc hạt tương tác yếu”.
Vật chất tối đẩy vào ranh giới của các định luật vật lý cơ bản đã biết, được gói gọn trong Mô hình chuẩn của vật lý hạt và Mô hình WIMP rất dễ xây dựng thành Mô hình chuẩn, nhưng chúng ta đã không tìm thấy nó trong một thời gian dài.
Vì vậy, các nhà vật lý hiện đang xem xét những nơi khác mà các hạt vật chất tối có thể ẩn giấu và các khả năng hạt khác như “neutrino vô trùng” được lý thuyết hóa cũng có thể được đưa vào họ các hạt gọi là fermion – bao gồm electron, proton và neutrino .
Robert McGehee, một sinh viên tốt nghiệp UC Berkeley và Gilly Elor của Đại học Washington là đồng tác giả nghiên cứu chia sẻ thêm: “Thật dễ dàng với những sửa đổi nhỏ cho mô hình WIMP để phù hợp với một loại tín hiệu hoàn toàn khác. Chúng ta có thể đạt được một số lượng lớn tiến bộ với rất ít chi phí nếu bạn lùi lại một chút theo cách chúng ta đã nghĩ về vật chất tối”.
Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng một loạt các tín hiệu mới mà họ đang tập trung mở ra một “đại dương” các khả năng hạt vật chất tối: cụ thể là các fermion chưa được phát hiện với khối lượng nhẹ hơn phạm vi điển hình được xem xét cho WIMP. Chúng có thể là anh em họ của neutrino vô trùng.
Nhóm nghiên cứu đã xem xét các quá trình hấp thụ được gọi là “dòng trung tính”, trong đó các hạt nhân trong vật liệu máy dò bị giật lại, hoặc bị xáo trộn do va chạm với các hạt vật chất tối, tạo ra các dấu hiệu năng lượng riêng biệt có thể được máy dò phát hiện; và cả những thứ được gọi là “dòng điện tích”, có thể tạo ra nhiều tín hiệu như một hạt vật chất tối tấn công hạt nhân, gây ra sự giật lại và phóng ra của một điện tử.
Quá trình dòng điện tích cũng có thể liên quan đến sự phân rã hạt nhân, trong đó các hạt khác được đẩy ra từ hạt nhân như một loại hiệu ứng domino được kích hoạt bởi sự hấp thụ vật chất tối.
Các nhà nghiên cứu lưu ý, việc tìm kiếm các chữ ký được đề xuất của cả hai quá trình dòng trung tính và dòng điện tích có thể mở ra “các bậc của không gian tham số chưa được khám phá”. Họ tập trung vào các tín hiệu năng lượng trong MeV, có nghĩa là hàng triệu volt điện tử. Một volt điện tử là thước đo năng lượng mà các nhà vật lý sử dụng để mô tả khối lượng của các hạt. Trong khi đó, các tìm kiếm WIMP điển hình hiện rất nhạy cảm với các tương tác hạt với năng lượng trong phạm vi keV, hoặc hàng ngàn volt điện tử.
Đối với các tương tác hạt khác nhau, các nhà nghiên cứu đã khám phá trong nghiên cứu, chúng ta có thể dự đoán phổ năng lượng của hạt phát ra là gì hoặc hạt nhân nhận được ‘cú đá’. Nucleon dùng để chỉ proton tích điện dương hoặc neutron không tích điện cư trú trong hạt nhân nguyên tử và có thể hấp thụ năng lượng khi bị hạt vật chất tối tấn công. Những tín hiệu hấp thụ này có thể có thể phổ biến hơn các loại tín hiệu khác mà các máy dò vật chất tối thường được thiết kế để tìm thấy.
Các thí nghiệm có khối lượng lớn vật liệu dò với độ nhạy cao và “nhiễu” nền rất thấp hoặc nhiễu không mong muốn từ các loại tín hiệu hạt khác, đặc biệt phù hợp cho tìm kiếm mở rộng này cho các loại tín hiệu vật chất tối khác nhau.
LUX-ZEPLINE (LZ), một dự án tìm kiếm vật chất tối siêu nhạy do Berkeley Lab dẫn đầu đang được xây dựng tại một mỏ ở Nam Dakota trước đây, là một ứng cử viên khả thi vì nó sẽ sử dụng khoảng 10 tấn xenon lỏng làm phương tiện dò tìm và được thiết kế để được bảo vệ nghiêm ngặt khỏi các loại nhiễu hạt khác.
Hiện tại, nhóm nghiên cứu tham gia nghiên cứu đã làm việc với nhóm điều hành Đài thiên văn Xenon phong phú (EXO), một thí nghiệm ngầm tìm kiếm một quá trình lý thuyết được gọi là phân rã beta không có neutrino sử dụng xenon lỏng, để mở ra tìm kiếm của nó những loại tín hiệu vật chất tối khác.
Và đối với các loại thí nghiệm tương tự đang hoạt động. Dữ liệu về cơ bản đã nằm ở đó, chỉ còn là vấn đề phân tích nó.
Các nhà nghiên cứu đặt tên cho một danh sách các thí nghiệm ứng cử viên trên khắp thế giới có thể có dữ liệu và khả năng tìm kiếm có liên quan có thể được sử dụng để tìm tín hiệu mục tiêu của họ, bao gồm: CUORE, LZ tiền thân LUX, PandaX-II, XENON1T, KamLAND-Zen, SuperKamiokande, CDMS-II, DarkSide-50 và Borexino trong số đó.
Bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ hợp tác với các hợp tác thử nghiệm để phân tích dữ liệu hiện có và tìm hiểu xem các tham số tìm kiếm của các thử nghiệm đang hoạt động có thể được điều chỉnh để tìm kiếm các tín hiệu khác hay không.
“Tôi nghĩ rằng cộng đồng đang bắt đầu nhận thức khá rõ về điều này”, Dror nói và cho biết thêm, “Một trong những câu hỏi lớn nhất trong lĩnh vực này là bản chất của vật chất tối. Chúng tôi không biết nó được tạo ra từ đâu nhưng trả lời những câu hỏi này có thể nằm trong tầm tay của chúng ta trong tương lai gần. Đối với tôi, đó là một động lực rất lớn để tiếp tục thúc đẩy – có vật lý mới ngoài kia. “
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Lawrence Berkeley . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :