Săn tìm vật chất tối trên bàn làm việc

Các thí nghiệm trên bàn làm việc có thể chỉ ra con đường dẫn đến khám phá ra vật chất tối, bổ sung cho những cuộc tìm kiếm thiên văn quy mô lớn và những quan trắc ở sâu dưới lòng đất. Theo những kết quả nghiên cứu gần đây, những khối vật chất nhỏ ở trên bàn làm việc có thể hé lộ những tính chất hay lảng tránh của các hạt vật chất tối cho đến nay chưa được nhận ra chiếm đến một phần tư vũ trụ, có khả năng làm cho những tìm kiếm quy mô lớn trong tương lai dễ dàng hơn. Kết quả này được công bố hôm 15/3 bởi các nhà lí thuyết ở Viện Vật liệu và Khoa học Năng lượng Stanford (SIMES), liên viện trực thuộc Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng Mĩ và trường đại học Stanford, tại cuộc họp của Hội Vật lí Hoa Kì ở Portland, Oregon.

Nhà lí thuyết vật chất ngưng tụ SIMES Shoucheng Zhang. (Ảnh: Brad Plummer/SLAC).

“Các thí nghiệm trên bàn có thể cực kì sáng trí”, theo lời nhà lí thuyết vật chất ngưng tụ Shoucheng Zhang, người công bố kết quả trên cùng với các đồng nghiệp SIMES Rundong Li, Jing Wang và Xiao-Liang Qi. “Chúng tôi có thể tiến hành các quan sát trong những thí nghiệm trên bàn làm việc hỗ trợ chúng ta vén màn những bí ẩn sâu sắc hơn của vũ trụ”.

Trong một bài báo công bố trên phiên bản trực tuyến ngày 7 tháng 3 của tờ Nature Physics, Zhang và các đồng nghiệp của ông mô tả một cơ cấu thí nghiệm có thể lần đầu tiên phát hiện ra axion, hạt lí thuyết nhỏ xíu, nhẹ cân, được cho là tràn ngập vũ trụ. Với khối lượng rất nhỏ của nó và không có điện tích, axion là một ứng cử viên cho hạt vật chất tối bỉ ẩn. Nhưng, bất chấp rất nhiều nỗ lực, axion chưa hề được quan sát thấy trong thực nghiệm.

Điều đó có thể thay đổi nhờ vào nghiên cứu tiên phong của các nhà lí thuyết SIMES về các chất cách điện tô pô học. Trong tập con nhỏ, mới được khám phá này của vật liệu, các electron di chuyển rất khó khăn qua phần bên trong nhưng chảy với điện trở nhỏ hơn nhiều ở trên mặt, nhiều như chúng có thể khi ở bên trong các chất liệu siêu dẫn. Thậm chí còn tốt hơn, chúng chảy như vậy ở nhiệt độ phòng. Điều này dẫn tới những tính chất khác thường có thể quan trọng cho những ứng dụng như điện tử học spin, một công nghệ đang xuất hiện có thể mang lại một họ mới những dụng cụ điện tử công suất tiêu thụ thấp, mật độ cao, hiệu quả cực cao.

Trong nghiên cứu của họ về những ứng dụng khác cho các chất cách điện tô pô học, Zhang và các đồng nghiệp phát hiện ra rằng hành trạng điện từ của các chất cách điện tô pô học được mô tả bằng những phương trình toán học rất giống với cái mô tả hành trạng của axion; thật kì lạ, các định luật của vũ trụ liên quan đến axion được phản ánh trong họ hàng vật liệu mới này. Là hệ quả của tính song song toán học này, các nhà lí thuyết thừa nhận rằng các thí nghiệm trên các chất cách điện tô pô học có thể tiết lộ nhiều thông tin về các axion mà người ta dự báo là tràn ngập khắp vũ trụ.

“Cả hai đối tượng được mô tả bằng phương trình toán học giống nhau là nét đẹp của vật lí học”, Zhang nói. “Toán học thật có sức mạnh – nghĩa là chúng ta có thể nghiên cứu những thứ này ở các chất cách điện tô pô học như thể chúng là một tiểu vũ trụ”.

Trong bài báo của họ, Zhang và đồng nghiệp của ông tả một họ đặc biệt chất cách điện tô pô học, trong đó cơ sở toán học song song liên quan đến axion là rõ nét nhất, và đề xuất một vài thí nghiệm có thể thực hiện để “xem” các axion trong hành trạng điện từ của các chất cách điện tô pô học. Những thí nghiệm này có thể cung cấp thêm thông tin về những đặc trưng vật lí của axion, cái sẽ làm đơn giản hóa sự tìm kiếm bằng giải pháp thiên văn, bởi việc cung cấp cho các nhà quan sát một ý tưởng tốt hơn về nơi tìm kiếm bằng chứng của axion ẩn chứa trong vũ trụ.

“Nếu chúng ta ‘thấy’ một axion trong một thí nghiệm trên bàn làm việc, thì vấn đề sẽ cực kì sáng tỏ”, Zhang nói. “Nó sẽ giúp làm sáng tỏ bí ẩn vật chất tối”.

Theo PhysOrg.com