Các nhà khoa học đã khám phá được “năng lượng tối” chưa? Năng lượng tối, lực bí ẩn khiến vũ trụ tăng tốc, có thể là nguyên nhân dẫn đến kết quả bất ngờ từ thí nghiệm XENON1T, sâu bên dưới dãy núi Apennine của Ý.
Một nghiên cứu mới, do các nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge dẫn đầu và được báo cáo trên tạp chí Physical Review D , cho thấy rằng một số kết quả không giải thích được từ thí nghiệm XENON1T ở Ý có thể là do năng lượng tối gây ra, chứ không phải vật chất tối mà thí nghiệm được thiết kế để phát hiện.
Họ đã xây dựng một mô hình vật lý để giúp giải thích kết quả, có thể bắt nguồn từ các hạt năng lượng tối được tạo ra trong một vùng của Mặt trời có từ trường mạnh, mặc dù các thí nghiệm trong tương lai sẽ được yêu cầu để xác nhận lời giải thích này. Các nhà nghiên cứu nói rằng nghiên cứu của họ có thể là một bước quan trọng đối với việc phát hiện trực tiếp năng lượng tối.
Mọi thứ mà mắt chúng ta có thể nhìn thấy trên bầu trời và trong thế giới hàng ngày của chúng ta – từ mặt trăng nhỏ đến thiên hà lớn, từ kiến đến cá voi xanh – chỉ chiếm chưa đầy 5% vũ trụ. Phần còn lại là bóng tối. Khoảng 27% là vật chất tối – lực vô hình giữ các thiên hà và mạng vũ trụ lại với nhau – trong khi 68% là năng lượng tối, khiến vũ trụ giãn nở với tốc độ gia tốc.
Tiến sĩ Sunny Vagnozzi từ Viện vũ trụ học Kavli của Cambridge cho biết: tác giả đầu tiên của tờ báo. “Các thí nghiệm quy mô lớn như XENON1T đã được thiết kế để phát hiện trực tiếp vật chất tối, bằng cách tìm kiếm dấu hiệu vật chất tối ‘va vào’ vật chất thông thường, nhưng năng lượng tối thậm chí còn khó nắm bắt hơn.”
Để phát hiện ra năng lượng tối, các nhà khoa học thường tìm kiếm các tương tác hấp dẫn: cách mà lực hấp dẫn kéo các vật thể xung quanh. Và ở những quy mô lớn nhất, tác động hấp dẫn của năng lượng tối là lực đẩy, kéo mọi thứ ra xa nhau và làm cho sự giãn nở của Vũ trụ tăng tốc.
Khoảng một năm trước, thử nghiệm XENON1T đã báo cáo một tín hiệu không mong muốn, hoặc vượt quá so với nền dự kiến. Tiến sĩ Luca Visinelli, nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Frascati ở Ý, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Những loại dư thừa này thường là sán, nhưng thỉnh thoảng chúng cũng có thể dẫn đến những khám phá cơ bản. “Chúng tôi đã khám phá một mô hình trong đó tín hiệu này có thể là do năng lượng tối, chứ không phải vật chất tối mà thí nghiệm ban đầu được nghĩ ra để phát hiện.”
Vào thời điểm đó, lời giải thích phổ biến nhất cho sự dư thừa là axion – các hạt giả thuyết, cực nhẹ – được tạo ra trong Mặt trời. Tuy nhiên, lời giải thích này không phù hợp với các quan sát, vì số lượng trục cần thiết để giải thích tín hiệu XENON1T sẽ làm thay đổi đáng kể sự tiến hóa của các ngôi sao nặng hơn nhiều so với Mặt trời, mâu thuẫn với những gì chúng ta quan sát được.
Chúng ta còn lâu mới hiểu đầy đủ năng lượng tối là gì, nhưng hầu hết các mô hình vật lý cho năng lượng tối sẽ dẫn đến sự tồn tại của cái gọi là lực thứ năm. Có bốn lực cơ bản trong vũ trụ, và bất cứ thứ gì không thể giải thích bằng một trong những lực này đôi khi được coi là kết quả của lực thứ năm chưa biết.
Tuy nhiên, chúng ta biết rằng lý thuyết hấp dẫn của Einstein hoạt động cực kỳ hiệu quả trong vũ trụ cục bộ. Do đó, bất kỳ lực thứ năm nào liên quan đến năng lượng tối là không mong muốn và phải được ‘ẩn’ hoặc ‘bị che chắn’ khi ở quy mô nhỏ, và chỉ có thể hoạt động ở quy mô lớn nhất mà lý thuyết hấp dẫn của Einstein không giải thích được gia tốc của Vũ trụ. Để che giấu lực thứ năm, nhiều mô hình cho năng lượng tối được trang bị cái gọi là cơ chế sàng lọc, giúp ẩn lực thứ năm một cách linh hoạt.
Vagnozzi và các đồng tác giả của ông đã xây dựng một mô hình vật lý, sử dụng một loại cơ chế sàng lọc được gọi là sàng lọc tắc kè hoa, để chỉ ra rằng các hạt năng lượng tối sinh ra trong từ trường mạnh của Mặt trời có thể giải thích sự dư thừa XENON1T.
Vagnozzi cho biết: “Quá trình sàng lọc tắc kè hoa của chúng tôi giúp ngăn chặn việc sản sinh ra các hạt năng lượng tối trong các vật thể rất dày đặc, tránh các vấn đề mà trục quay mặt trời phải đối mặt. “Nó cũng cho phép chúng tôi tách những gì xảy ra trong Vũ trụ rất dày đặc cục bộ khỏi những gì xảy ra trên quy mô lớn nhất, nơi mật độ cực kỳ thấp.”
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng mô hình của họ để chỉ ra điều gì sẽ xảy ra trong máy dò nếu năng lượng tối được tạo ra trong một vùng cụ thể của Mặt trời, được gọi là tachocline, nơi từ trường đặc biệt mạnh.
Vagnozzi cho biết: “Thực sự đáng ngạc nhiên rằng sự dư thừa này về nguyên tắc có thể là do năng lượng tối chứ không phải vật chất tối”. “Khi mọi thứ nhấp vào nhau như vậy, nó thực sự đặc biệt.”
Tính toán của họ cho thấy rằng các thí nghiệm như XENON1T, được thiết kế để phát hiện vật chất tối, cũng có thể được sử dụng để phát hiện năng lượng tối. Tuy nhiên, sự dư thừa ban đầu vẫn cần được xác nhận một cách thuyết phục. Visinelli nói: “Trước tiên chúng ta cần biết rằng đây không đơn giản chỉ là một sự may rủi. “Nếu XENON1T thực sự nhìn thấy điều gì đó, bạn sẽ mong đợi thấy lại sự dư thừa tương tự trong các thử nghiệm trong tương lai, nhưng lần này với một tín hiệu mạnh hơn nhiều.”
Nếu sự dư thừa là kết quả của năng lượng tối, thì những nâng cấp sắp tới cho thí nghiệm XENON1T, cũng như các thí nghiệm theo đuổi các mục tiêu tương tự như LUX-Zeplin và PandaX-xT, có nghĩa là có thể phát hiện trực tiếp năng lượng tối trong thập kỷ tới.
>> Tìm kiếm vật chất tối từ đa vũ trụ
>> Các nhà khoa học đã khám phá được “năng lượng tối” chưa?
Nguồn:
Tài liệu do Đại học Cambridge cung cấp . Văn bản gốc của câu chuyện này được cấp phép theo Giấy phép Creative Commons . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :
- Sunny Vagnozzi, Luca Visinelli, Philippe Brax, Anne-Christine Davis, Jeremy Sakstein. Phát hiện trực tiếp năng lượng tối: Sự dư thừa XENON1T và triển vọng trong tương lai . Ôn tập Vật lý D , năm 2021; 104 (6) DOI: 10.1103 / PhysRevD.104.063023