Dò được năng lượng tối? Các nhà khoa học cho là có thể

Một nghiên cứu mới, do các nhà nghiên cứu ở trường đại học Cambridge thực hiện và công bố trên tạp chí Physical Review D, đề xuất một số kết quả chưa thể giải thích được từ thực nghiệm XENON1T ở Italy có thể do năng lượng tối gây ra, và không phải vật chất tối mà thực nghiệm này đã được thiết kế để dò.

Họ đã thiết kế một mô hình vật lý để giải thích các kết quả này, vốn có thể là bắt nguồn từ các hạt năng lượng tối được tạo ra tại một vùng của Mặt trời với từ trường mạnh, dẫu sẽ cần các thực nghiệm tương lai để xác nhận giải thích này. Các nhà nghiên cứu cho biết, nghiên cứu của họ có thể là một bước tiến quan trọng hướng trực tiếp đến năng lượng tối.

Tất cả mọi thứ mắt thường có thể thấy trên bầu trời và trong trái đất của chúng ta – từ những vầng trăng nhỏ nhất đến những thiên hà lớn nhất, từ con kiến đến con cá voi xanh – đều chiến ít hơn 5% toàn vũ trụ. Phần còn lại là những điều còn chưa biết. Khoảng 27% là vật chất tối – thứ lực vô hình đang giữ các thiên hà và vũ trụ lại gần nhau – trong khi 68% là năng lượng tối, vốn là nguyên nhân gây ra sự giãn nở của vũ trụ với một tốc độ ngày một được gia tốc.

“Bất chấp những thành phần còn chưa được nhìn thấy, chúng ta đã biết nhiều hơn về vật chất toi, kể từ khi sự tồn tại của nó đã được đề xuất từ những năm 1920, còn tới tận năm 1998 thì gia tốc mới được phát hiện ra”, tiến sĩ Sunny Vagnozzi của Viện nghiên cứu vũ trụ học Kavli Cambridge, tác giả thứ nhất của bài báo, cho biết. “Các thực nghiệm lớn như XENON1T đã được thiết kế để dò vật chất tối một cách trực tiếp bằng việc tìm kiếm các dấu hiệu của vật chất tối ‘ẩn’ trong vật chất thông thường, nhưng năng lượng tối thậm chí còn khó dò hơn”.

Để dò được năng lượng tối, các nhà khoa học đã cơ bản cùng nhin vào các tương tác hấp dẫn: cách hấp dẫn đẩy các vật thể xung quanh. Và trên quy mô lớn, các hiệu ứng hấp dẫn của năng lượng tối gây ra lực đẩy các vật thể ra xa nhau và khiến cho vũ trụ gia tốc giãn nở.

Trong vòng khoảng một năm, thực nghiệm XENON1T đã báo cáo về một tín hiệu không chờ đợi, hay sự dư thừa trên nền cơ bản. “Những dang này thường là may mắn nhưng đôi khi chúng cũng có thê dẫn ta đến một khám phá thực sự”, tiến sĩ Luca Visinelli, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí ngiệm quốc gia Frascati ở Italy, đồng tác giả của nghiên cứu, nói. “Chúng tôi khám phá ra một mô hình trong đó giải thích tín hiệu này có thể là do sự đóng góp của năng lượng tối hơn là vật chất tối mà thí nghiệm đặt ra ban đầu”.

Tại thời điểm này, cách giải thích phổ biến nhất cho sự dư thừa là các axion – về giả thiết là các hạt ánh sáng do mặt trời tạo ra. Tuy nhiên cách giải thích này không ủng hộ cho những quan sát, kể từ khi số lượng các axion được đòi hỏi để giải thích tín hiệu của XENON1T có thể làm thay đổi đáng kể tiến hóa của những ngôi sao nặng hơn mặt trời, mâu thuẫn với những gì chúng ta quan sát.

Chúng ta vẫn còn chưa hiểu đầy đủ năng lượng tối là gì nhưng phần lớn các mô hình vật lý về năng lượng tối có thể dẫn chúng ta đến sự tồn tại của cái vẫn được gọi là lực thứ năm. Có bốn lực cơ bản trong vũ trụ, và bất kỳ thứ gì không thể giải thích bằng một trong bốn lực này thi thoảng được cho là kết quả của một lực thứ năm chưa biết.

Tuy nhiên, chúng ta biết là thuyết tương đối của Einstein hoạt động vô cùng tốt trong vũ trụ định xứ này. Do đó, bất kỳ lực thứ năm này liên đới tới năng lượng tối là không mong muốn và phải bị “giấu đi” hoặc “sàng lọc” khi đạt đến các quy mô nhỏ hơn, và có thể chỉ vận hành trên các quy mô lớn nhất khi lý thuyết của Einstein về hấp dẫn không thể giải thích được sự gia tốc của vũ trụ. Để giấu lực thứ năm, nhiều mô hình cho năng lượng tối được trang bị cái gọi là các cơ chế sàng lọc, vốn giấu về mặt động lực lực thứ năm.

Vagnozzi và các đồng tác giả cấu trúc một mô hình vật lý, vốn sử dụng một dạng cơ chế sàng lọc đã biết là sàng lọc chameleon, để chứng tỏ các hạt năng lượng tối tạo ra trong vùng từ trường mạnh của mặt trời có thể giải thích sự dư thừa của XENON1T.

“Sàng lọc chameleon của chúng tôi đã ngắt việc sản xuất các hạt năng lượng tối trong những vật thể rất đậm đặc, tránh các vấn đề phải đối mặt với các axion mặt trời”, Vagnozzi nói. “Nó cũng cho phép chúng tôi tách những gì xảy ra tại nơi vô cùng đậm đặc của vũ trụ khỏi những gì diễn ra trên quy mô lớn nhất, nơi sự đậm đặc lại vô cùng thấp”.

Các nhà nghiên cứu sử dụng mô hình của mình để chứng tỏ những gì có thể diễn ra trong máy dò nếu năng lượng tôi được tạo ra ở một vùng cụ thể của mặt trời, gọi là tachocline, nơi từ trường vô cùng mạnh.

“Thực sự ngạc nhiên là sự dư thừa này có thể về nguyên tắc là do năng lượng tối gây ra hơn là do vật chất tối”, Vagnozzi nói. “Khi những điều như vậy va vào nhau, đó thực sự là điều vô cùng đặc biệt”.

Tính toán của họ đề xuất là các thực nghiệm như XENON1T, vốn được thiết kế để dò vật chất tối, có thể hữu dụng trong dò năng lượng tối. Tuy vậy sự dư thừa nguyên thủy vẫn cần được xác thực một cách thuyết phục. Visinelli nói “Nếu XENON1T trên thực tế cần thấy một cái gì đó, mà anh có thể chờ đợi để thấy một sự dư thừa như vậy lần nữa trong những thực nghiệm tương lai với một tín hiệu mạnh hơn”.

Nếu sự dư thừa này là kết quả của năng lượng tối, cần nâng cấp thực nghiệm XENON1T cũng như các thực nghiệm theo đuổi mục tiêu tương tự như LUX-Zeplin và PandaX-xT, nghĩa là có thể dò trực tiếp được năng lượng tối trong thập kỷ đến.

Nguồn: https://phys.org/news/2021-09-dark-energy-scientists-possibility.html

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.104.063023