Nghiên cứu tia vũ trụ để tìm dấu hiệu tồn tại vật chất tối

GS Samuel Ting đứng trước AMS khi thiết bị này còn chưa được phóng để ghép vào trạm vũ trụ ISS.

Website Livescience.com ngày 19/9 đưa tin: Phổ kế từ tính Alpha (AMS) đặt trên Trạm vũ trụ quốc tế ISS đang bay cách trái đất 400 km đã tiến hành phân tích 41 tỷ hạt tia vũ trụ, nhờ đó giúp chúng ta hiểu biết hơn về vật chất tối – loại vật chất thần bí không nhìn thấy chiếm 27% toàn bộ vũ trụ¹.

Hồi năm ngoái AMS đã thu được chứng cớ về sự tồn tại của vật chất tối. Kết quả phân tích mới đây là sự đo lường chính xác nhất đối với hạt tia vũ trụ.

Ngày 18/9, phát biểu trong buổi truyền hình trực tuyến từ phòng thí nghiệm của Tổ chức Nghiên cứu hạt nhân châu Âu CERN đặt ở Thụy Sĩ, Giáo sư Học viện Công nghệ Massachusetts - ông Samuel Ting (tức Ding Zhaozhong hay Đinh Triệu Trung), người phát ngôn của Dự án AMS cho biết không những nhóm nghiên cứu AMS hiện có số liệu phân tích nhiều hơn trước đây khoảng 50% mà họ còn nghiên cứu sâu về nguồn gốc của các hạt tia vũ trụ.

Sự va chạm của vật chất tối

Vật chất tối – loại vật chất không nhìn thấy và cho tới nay chưa phát hiện thấy – là khái niệm được sử dụng để giải thích tại sao các thiên hà và thiên thể không bị vỡ tung và bay tan tác. Tất cả mọi vật chất đều sinh ra trọng lực, thế nhưng căn cứ theo tính toán thì trọng lực của các vật thể trông thấy được lại không đủ sức để làm cho vũ trụ giữ được trạng thái tụ hợp. Vì thế các nhà vật lý suy luận rằng vật chất tối tất phải nhiều gấp năm lần vật chất khả kiến thì mới có thể bảo đảm vũ trụ tồn tại được.

Nhưng khoa học hiện nay còn chưa rõ vật chất tối cấu tạo bởi các thành phần gì, và làm cách nào để trực tiếp dò tìm thấy vật chất tối. Căn cứ theo một lý thuyết đang phổ biến thì vật chất tối là do những hạt tương tác yếu có khối lượng lớn (còn gọi là hạt nặng tương tác yếu -WIMPs) hợp thành. Các nhà vật lý suy đoán là khi hai hạt WIMPs va chạm nhau thì chúng sẽ hủy diệt nhau, qua đó tạo ra một điện tử (electron) và một điện tử dương (positron) – đối tác phản vật chất của điện tử. Positron có khối lượng bằng electron nhưng mang điện tích dương, còn electron mang điện tích âm.

Vì thế ở đây chúng ta cần tới AMS và số liệu tia vũ trụ. Phần lớn tia vũ trụ được hình thành bởi các thành phần làm nên nguyên tử, gồm proton và hạt nhân nguyên tử đã bị lấy mất các electron, cũng như các positron và electron năng lượng cao. Song thực ra positron thừa quá nhiều so với electron, bởi vậy các nhà vật lý cho rằng tia vũ trụ không phải là nguồn duy nhất của positron. Họ nghĩ rằng sự va chạm giữa các hạt khó tìm thấy của vật chất tối có thể là một nguồn khác sinh ra positron.

Hiểu biết mới về vật chất tối

AMS có thể đo được mức năng lượng của từng hạt với đơn vị là GeV (gigaelectron volt), tức 1 tỷ vôn-điện tử. Căn cứ theo mô hình vật lý học thiên thể về sự va chạm của các hạt không gian, số lượng positron tương ứng với electron phải giảm đi theo sự nâng cao mức năng lượng của tia vũ trụ. Thế nhưng các số liệu mới do AMS thu lượm được lại cho thấy trên thực tế, trước khi mức năng lượng của tia vũ trụ đạt tới 275 GeV thì số lượng positron lại tăng theo sự nâng mức năng lượng đó. Chỉ khi mức năng lượng cao hơn 275 GeV thì số lượng positron mới bắt đầu giảm.

Sam Ting nói: rõ ràng là tốc độ giảm positron chậm hơn rất nhiều so với electron. Khác biệt này được giải thích là sự va chạm của vật chất tối sẽ bổ sung thêm positron. Theo ông, hiện nay khoa học chưa chứng minh được sự tồn tại của vật chất tối. Để chứng minh được điều đó, các nhà vật lý phải trực tiếp tóm bắt được loại hạt này.

Phải chờ kết quả cuối cùng

Hiện nay dựa vào kết quả quan trắc thiên văn, giới khoa học suy ra rằng có thể tồn tại vật chất tối, nhưng trong các nghiên cứu thí nghiệm về tia vũ trụ suốt nửa thế kỷ qua họ vẫn chưa phát hiện thấy chứng cớ trực tiếp về sự tồn tại của nó. Căn cứ theo các lý thuyết hiện có, khi vật chất tối va chạm nhau sẽ sinh ra một lượng positron dư thừa, vì thế việc đo lường chính xác các đặc điểm của positron sẽ có ý nghĩa rất quan trọng giúp tìm hiểu vật chất tối.

Theo kết quả nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters (Mỹ), các nhà khoa học đã phát hiện thấy các positron dư thừa trong tia vũ trụ có năm đặc điểm là: - sự tăng lên của tỷ lệ positron bắt đầu từ mức năng lượng 8 GeV; - về tốc độ tăng, tỷ lệ của positron trong tổng số electron và positron tăng nhanh; - ở mức 275 GeV thì positron ngừng tăng; - quá trình tăng tỷ lệ positron tương đối đều, không có các cực điểm; - nguồn positron dường như đến từ các hướng trong không gian vũ trụ chứ không cố định từ một hướng nào.

GS Ting, người từng nhận giải Nobel Vật lý năm 1976 do phát hiện hạt J, nói phát hiện mới về dấu hiệu vật chất tối là kết quả nghiên cứu quan trọng nhất của ông kể từ năm 1963 tới nay. “Căn cứ vào kết quả hiện nay, cái mà chúng tôi tìm kiếm nhất định phải là cái mới, cái chưa từng thấy; nhưng nó có phải là vật chất tối hay không, điều đó phải chờ xem kết quả cuối cùng,” ông nhấn mạnh.

Nhóm nghiên cứu AMS cho rằng muốn chứng minh positron dư thừa là do vật chất tối va chạm sinh ra thì phải khám phá đủ sáu đặc trưng của positron dư thừa. Đặc trưng cuối cùng là tỷ lệ tăng của positron sau khi tới điểm cao nhất có sụt gấp hay không, nếu quan sát thấy có sụt gấp, đó tức là positron dư thừa đến từ sự va chạm của vật chất tối; nếu sụt giảm từ từ thì có thể là positron dư thừa đến từ các thiên thể như pulsar.

Do vật chất tối không tác dụng với sóng điện từ nên các nhà khoa học chỉ có thể thông qua tương tác của nó với các vật chất khác để gián tiếp “quan sát” vật chất tối. GS Ting giải thích, chủ yếu có ba phương pháp tìm kiếm vật chất tối: - Thí nghiệm sử dụng sự va chạm hạt sinh ra vật chất tối để quan sát sự suy biến của vật chất tối; - Thí nghiệm tán xạ đo sự tán xạ vật chất tối đến thể lỏng hoặc thể rắn; - Thí nghiệm hủy diệt tiến hành trong không gian vũ trụ, dựa trên nguyên lý vật chất tối va chạm nhau sinh ra positron và phản proton.

AMS là đại diện của phương pháp Thí nghiệm hủy diệt, nó có thể tiến hành nhiều đo lường độc lập đối với electron, positron và tổng hòa electron-positron. Tháng 5/2011, AMS được đưa lên ISS, sau đó nó đã đo và phân tích 41 tỷ hạt tia vũ trụ, trong đó có 10,9 triệu electron và positron.

Trả lời câu hỏi liệu phương pháp AMS có giành vị trí đầu trong cuộc cạnh tranh với các thí nghiệm khác về phát hiện sự tồn tại của vật chất tối hay không, GS Ting nói, việc phân tích số liệu vô cùng khó khăn, chưa thể dự kiến sẽ mất bao lâu, nhưng ông “hy vọng không ở vị trí thứ hai”.

Vật chất tối là một trong những bí ẩn khoa học lớn nhất cho tới nay chưa có giải đáp. Vật chất tối không phát sáng, tức không phát sóng điện từ, cho nên ta không nhìn thấy. Nhưng cũng như mọi vật chất thông thường khác, chúng có tác dụng lực hấp dẫn. Nhờ đó mà các nhà khoa học có căn cứ để cho rằng vật chất tối chiếm tới 23% vũ trụ, năng lượng tối chiếm 73%, nghĩa là toàn bộ vật chất thông thường loài người đã quan sát thấy chỉ chiếm 4% vũ trụ.

¹ Theo nhà vật lý Stephen Hawking thì vật chất khả kiến chỉ chiếm 5% vũ trụ , còn lại 27% là vật chất tối và 68% là năng lượng tối.

Theo Tiasang.com.vn