Các photon ‘ẩn’ có thể làm sáng tỏ vật chất tối bí ẩn

Một phương pháp mới có thể giúp các nhà khoa học làm sáng tỏ vật chất bí ẩn nhất của vũ trụ bằng cách thu hẹp cuộc săn lùng một ứng cử viên vật chất tối cụ thể – các “photon tối” ẩn giấu.

Vật chất tối bao gồm khoảng 85% thành phần vật chất của vũ trụ, nhưng vì nó không tương tác với ánh sáng hoặc tương tác rất yếu nên nó vẫn vô hình một cách hiệu quả. Thực tế là vật chất tối dường như không tương tác điện từ có nghĩa là các nhà khoa học biết rằng nó không thể được tạo thành từ các nguyên tử bao gồm vật chất “bình thường” tạo nên các ngôi sao, hành tinh và cơ thể chúng ta.

Bí ẩn về vật chất tối là một vấn đề cấp bách đối với các nhà khoa học vì nó có nghĩa là vật chất mà chúng ta nhìn thấy chỉ chiếm 15% vật chất, không bao gồm năng lượng, trong vũ trụ. Điều này đã dẫn đến việc tìm kiếm các ứng cử viên vật chất tối tiềm năng, chẳng hạn như cái gọi là photon “ẩn” hoặc “tối”.

Các photon tối này sẽ khác với các photon thông thường, là các hạt không có khối lượng tạo nên ánh sáng, vì các photon tối được lý thuyết hóa là có khối lượng. Tuy nhiên, khối lượng của các photon tối sẽ rất nhỏ, nhỏ hơn khoảng hai mươi bậc độ lớn so với khối lượng của một electron. Chính bản chất siêu nhẹ này đã làm cho các photon tối trở thành ứng cử viên sáng giá cho vật chất tối và cũng sẽ khiến chúng cực kỳ khó bị phát hiện.

Có liên quan: Trò chơi kéo co vũ trụ ‘kỳ lạ’ trong Tinh vân Tarantula dệt nên những ngôi sao mới

Các photon tối ban đầu được đề xuất như một ứng cử viên vật chất tối vì theo lý thuyết, chúng sẽ tương tác yếu với các photon thông thường, nghĩa là chúng có thể đóng vai trò làm nóng vũ trụ sơ khai. Hành động này sẽ giải thích tại sao mạng vũ trụ, một cấu trúc quy mô lớn trong vũ trụ liên kết các thiên hà lại với nhau. nóng hơn dự đoán khi được quan sát bởi Kính viễn vọng Không gian Hubble.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ California (Caltech) đã đưa ra một phương pháp phát hiện mới đối với các photon tối. Và trong khi chiến lược mới này vẫn chưa đưa ra bất kỳ hạt giả thuyết nào, thì nó đã đặt ra những hạn chế đối với các đặc tính của chúng, điều này sẽ hỗ trợ cho các cuộc tìm kiếm trong tương lai.

“Độ nhạy của một photon ẩn thí nghiệm vật chất tối phụ thuộc vào độ mạnh của tín hiệu vật chất tối so với tín hiệu nhỏ nhất mà bạn có thể phát hiện”, Nikita Klimovich, thành viên nhóm nghiên cứu tại Khoa Vật lý của Đại học Oxford, cho biết. Phys.org.

“Đối với các tìm kiếm photon ẩn, biên độ của tín hiệu vật chất tối tỷ lệ với diện tích của đĩa kim loại được sử dụng, trong khi mức tín hiệu tối thiểu có thể phát hiện được phần lớn được xác định bởi mức nhiễu [the interference] của các bộ khuếch đại được sử dụng để đọc ăng-ten,” Klimovich nói thêm.

Một cuộc săn tìm vật chất tối cực lạnh

Nguồn cảm hứng cho cuộc tìm kiếm photon tối của nhóm xuất phát từ nỗ lực trước đây nhằm săn lùng vật chất tối ẩn giấu được gọi là thí nghiệm SHUKET, sử dụng kính viễn vọng điện từ.

Klimovich giải thích: “Các tìm kiếm trước đây đã truyền cảm hứng cho công việc này, chẳng hạn như thử nghiệm SHUKET, thường nhằm mục đích tối đa hóa cường độ tín hiệu thông qua việc có một đĩa rất lớn trong khi sử dụng bộ khuếch đại tiếng ồn thấp tốt nhất có bán trên thị trường mà họ có quyền truy cập”.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã thực hiện một cách tiếp cận khác trong nghiên cứu mới, sử dụng các bộ khuếch đại giới hạn lượng tử thay vì các bộ khuếch đại bán sẵn và tiến hành săn photon tối ở nhiệt độ cực kỳ thấp. Họ đã tìm kiếm ở nhiệt độ từ âm 459 độ F (âm 272,9 độ C) đến âm 459,6682 độ F (âm 273,149 độ C), chỉ ấm hơn một phần so với nhiệt độ lạnh nhất có thể về mặt lý thuyết, độ không tuyệt đối.

Mặc dù điều này cho phép các nhà khoa học giảm đáng kể mức tín hiệu tối thiểu mà họ có thể phát hiện so với các thí nghiệm khác sử dụng công nghệ có sẵn, nhưng nó lại có một nhược điểm lớn. Môi trường cách nhiệt chân không nhỏ của thiết bị điều hòa nhiệt độ mà các nhà khoa học sử dụng để làm mát thiết bị của họ đã hạn chế nghiêm trọng kích thước của đĩa kim loại hình cầu mà họ có thể sử dụng trong quá trình tìm kiếm.

Mặc dù điều này có nghĩa là tín hiệu thấp hơn nhiều so với tín hiệu được phát hiện bởi SHUKET và các thí nghiệm săn vật chất tối khác, nhóm nghiên cứu hy vọng rằng nhược điểm này sẽ được bù đắp bằng độ nhạy tăng lên của các phép đo mà họ thu thập được.

Klimovich nói: “Nếu một photon ẩn tồn tại với khối lượng tương ứng với dải tần số mà chúng ta nhạy cảm, thì chúng ta sẽ thấy một khối năng lượng dư thừa nhỏ phát ra từ đĩa so với tham chiếu. “Bởi vì chúng tôi không thấy tín hiệu nào như vậy nên chúng tôi có thể thiết lập một giới hạn trên mới cho sự kết hợp của một hạt photon ẩn như vậy với trường điện từ dựa trên mức tín hiệu nhỏ nhất mà chúng tôi có thể phát hiện được.”

Mặc dù tín hiệu của các photon tối không xuất hiện trong phép đo của nhóm, nhưng phương pháp mà các nhà khoa học thực hiện đã đặt ra những hạn chế mới nghiêm ngặt đối với các photon ẩn trên lý thuyết. Khi việc tìm kiếm các ứng cử viên vật chất tối tiếp tục, những hạn chế này và cách tiếp cận mới này cuối cùng có thể đóng một vai trò trong việc khám phá ra các photon tối và do đó, giải quyết bí ẩn vật chất tối.

Klimovich kết luận: “Bên cạnh những giới hạn mới đặt ra cho việc phát hiện, chúng tôi đã chứng minh một cách tiếp cận rất dễ tiếp cận đối với các thí nghiệm về photon ẩn trong tương lai.

Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào tháng trước trên tạp chí Thư đánh giá vật lý.