Cách tiếp cận tối giản để săn tìm vật chất tối

Đặc biệt, nhóm của Antypas sử dụng thí nghiệm của họ để tìm kiếm một loại vật chất tối được gọi là vật chất tối siêu nhẹ. Ở mức nặng nhất, một hạt vật chất tối siêu nhẹ vẫn nhẹ hơn electron khoảng một nghìn tỷ lần. Theo cơ học lượng tử, mọi vật chất đều có đặc tính giống hạt và giống sóng, với các vật thể lớn hơn thường chứa nhiều phẩm chất giống hạt hơn và những vật nhỏ hơn có đặc tính giống sóng hơn. “Khi mọi người nói về vật chất tối siêu nhẹ, ý họ muốn nói là vật chất tối giống một làn sóng hơn”, nhà vật lý Kathryn Zurek thuộc Viện Công nghệ California, người không tham gia vào thí nghiệm cho biết.

Giống như tất cả các thí nghiệm vật chất tối khác cho đến nay, cuộc tìm kiếm của Antypas không tìm thấy bất cứ điều gì. Tuy nhiên, việc họ không có phát hiện nào giúp hạn chế các đặc tính của vật chất tối, vì thí nghiệm cho thấy vật chất tối không phải là gì. Ngoài ra, cách tiếp cận của nhóm nghiên cứu rất khác biệt so với các thí nghiệm vật chất tối nổi tiếng hơn, vốn tìm kiếm các hạt được gọi là WIMP (đó là các hạt khối lượng tương tác yếu). Những thí nghiệm đó thường liên quan đến sự hợp tác của 100 nhà khoa học trở lên và các máy dò có yêu cầu kỹ thuật cao. Ví dụ, máy dò bãi đáp ở Nam Dakota chứa 7 tấn xenon lỏng, một nguyên tố hiếm được tìm thấy trong khí quyển với tỷ lệ dưới 1 phần triệu. Để che chắn các máy dò khỏi bức xạ không mong muốn, các nhà vật lý đặt chúng trong các phòng thí nghiệm sâu bên trong núi hoặc dưới lòng đất trong các khu mỏ cũ.

Ngược lại, toàn bộ thí nghiệm của Antypas nằm gọn trên mặt bàn và sự hợp tác của ông gồm 11 nhà khoa học. Tìm kiếm vật chất tối thực sự là một dự án phụ cho phòng thí nghiệm của anh ấy. Họ thường sử dụng thiết bị để nghiên cứu lực hạt nhân yếu trong nguyên tử, nguyên nhân gây ra sự phân rã phóng xạ. Antypas nói: “Đây là một việc nhanh chóng và thú vị để chúng tôi làm. “Chúng tôi sử dụng các phương pháp này cho các ứng dụng khác.” Gehrlein cho biết so với máy dò WIMP, các thí nghiệm trên mặt bàn rất đơn giản và tiết kiệm chi phí.

Trong hơn một thập kỷ qua, các phương pháp tiếp cận trên mặt bàn này ngày càng trở nên phổ biến cho các cuộc tìm kiếm vật chất tối, Zurek nói. Các nhà vật lý, những người đầu tiên phát triển các công cụ và laser siêu chính xác để nghiên cứu và điều khiển các nguyên tử và phân tử đơn lẻ, đã tìm kiếm nhiều cách hơn để sử dụng máy móc mới của họ. Zurek nói: “Nhiều người chuyển sang lĩnh vực này hơn, không phải là ngành học chính của họ, mà là một cách để tìm kiếm các ứng dụng sáng tạo mới cho các phép đo của họ. “Họ có thể sử dụng lại các thí nghiệm của mình để tìm kiếm vật chất tối.”

Trong một ví dụ đáng chú ý, các nhà vật lý đã chế tạo lại đồng hồ nguyên tử để tìm kiếm vật chất tối thay vì để xem giờ. Những cỗ máy chính xác này, không mất đi hay tăng thêm một giây nào trong hàng triệu năm, dựa vào mức năng lượng của nguyên tử, được xác định từ tương tác giữa hạt nhân và electron của chúng, phụ thuộc vào các hằng số cơ bản. Tương tự như thí nghiệm của Antypas, các nhà nghiên cứu này tìm kiếm vật chất tối bằng cách đo chính xác mức năng lượng của các nguyên tử, để tìm kiếm những thay đổi trong giá trị của các hằng số cơ bản. (Họ không tìm thấy bất kỳ.)

Nhưng những thí nghiệm tương đối tối giản này sẽ không thay thế các thí nghiệm vật chất tối thông thường hơn, vì hai loại này nhạy cảm với các dạng giả thuyết khác nhau — và khối lượng — của vật chất tối. Các nhà lý thuyết đã đưa ra giả thuyết về nhiều loại hạt vật chất tối có khối lượng lớn hơn 75 bậc độ lớn, Gehrlein nói. Ở mức nhẹ nhất, các hạt này có thể nhẹ hơn một triệu lần so với vật chất tối siêu nhẹ mà Antypas đang tìm kiếm. Các ứng cử viên vật chất tối nặng nhất thực sự là các vật thể vật lý thiên văn lớn như lỗ đen.

Thật không may cho các nhà vật lý, các thí nghiệm của họ đã không đưa ra bất kỳ gợi ý nào khiến một phạm vi khối lượng có khả năng xảy ra nhiều hơn các phạm vi khối lượng khác. Gehrlein nói: “Điều này cho chúng tôi biết rằng chúng tôi phải xem xét mọi nơi. Với rất ít khách hàng tiềm năng, những kẻ săn vật chất tối cần tất cả quân tiếp viện mà họ có thể nhận được.