Sử dụng một kĩ thuật thống kê mới để phân tích cơ sở dữ liệu sẵn có từ Kính thiên văn vũ trụ Fermi của NASA, một nhà thiên văn vật lí ở Đức cho biết ông đã phát hiện ra dấu hiệu mách bảo của những hạt lạ đang phân hủy trong Dải Ngân hà. Nếu được chứng minh là có thật, thì “vạch tia gamma” này sẽ có “dấu hiệu khởi xướng” của vật chất tối.
Có nhiều bằng chứng quan sát gián tiếp cho thấy một chất liệu không nhìn thấy chiếm khoảng 80% lượng vật chất có trong vũ trụ. Mặc dù các nhà vật lí có thể đo các tác động mà vật chất tối này ảnh hưởng lên vũ trụ nhìn thấy, nhưng họ hiểu rất ít về chất liệu bí ẩn này thật sự là cái gì. Vừa đi tìm bằng chứng trực tiếp của vật chất tối bằng cách phát hiện ra nó – hoặc thậm chí tạo ra nó – ngay trên Trái đất, các nhà nghiên cứu cũng vừa săm soi bầu trời tìm kiếm dấu hiệu của những hạt do vật chất tối tạo ra khi tự phân hủy. Sự dư thừa hạt positron (phản electron) mà phi thuyền PAMELA của Italy quan sát thấy hồi năm 2008, và được kính Fermi xác nhận hồi năm ngoái, có thể là một dấu hiệu như thế. Tuy nhiên, cũng có khả năng những positron này được sinh ra bởi những quá trình không có liên quan gì với vật chất tối.
Bầu trời tia gamma từ ba năm quan sát của Kính thiên văn Diện tích Lớn Fermi. Ảnh: NASA/Fermi
Trái lại, theo các nhà thiên văn vật lí, một vạch phổ tia gamma sẽ có ít chỗ hơn cho những lời giải thích khác. Những hạt vật chất tối được cho là tồn tại trong một cái quầng bao xung quanh thiên hà của chúng ta đang chuyển động chậm đi vì chúng chậm đi do vũ trụ giãn nở. Hệ quả là năng lượng toàn phần của các photon tạo ra bởi sự va chạm và phân hủy của hai hạt như thế, về cơ bản, gấp đôi năng lượng nghỉ của một hạt vật chất tối. Sự bảo toàn động lượng đòi hỏi năng lượng của mỗi photon bằng với khối lượng của một hạt vật chất tối – và sẽ xuất hiện dưới dạng một cực đại rất hẹp, hay một vạch phổ, trong quang phổ tia gamma. Vạch phổ này không giống với bức xạ phát ra bởi những quá trình thiên văn vật lí đã biết, chúng có sự phân bố phổ rộng hơn nhiều.
Cái gì đó ở 130 GeV?
Trong nghiên cứu mới, Christoph Weniger thuộc Viện Vật lí Max Planck ở Munich đã tìm kiếm những vạch phổ như thế trong khoảng 3,5 năm quan sát tia gamma đáng giá thực hiện bởi Kính thiên văn Diện tích Lớn (LAT) của vệ tinh Fermi. Để tăng cơ hội thành công, ông chỉ xét dữ liệu từ những vùng thuộc Dải Ngân hà có tỉ số photon vật chất tối trên photon nền nhiễu là cao nhất – theo năm mô hình khác nhau cho sự phân bố vật chất tối trong quầng ngân hà. Ông còn hạn chế dữ liệu trong dải năng lượng 20 – 300 GeV.
Trong những vùng ở gần tâm của thiên hà, Weniger tìm thấy tia gamma do kính Fermi thu thập thể hiện bằng chứng cho một vạch phổ, tại khoảng 130 GeV, với ý nghĩa thống kê 4,6σ. Giá trị này giảm xuống còn 3,3σ sau khi cho phép thực tế ông đã tìm kiếm một vạch phổ như thế trong ngưỡng không gian và năng lượng hữu hạn. Nói cách khác, xác suất chỉ 1 phần 1000 khả năng vạch phổ trên là một thăng giáng thống kê.
Đa số các mô hình vật chất tối dự đoán rằng vạch phổ này sẽ rất mờ nhạt vì vật chất tối không kết hợp trực tiếp với bức xạ điện từ. Thay vậy, các photon sinh ra bởi sự phân hủy của những cặp hạt trung gian như electron và positron, nhưng sự phân hủy thứ cấp như thế thường được xem là không thể vì năng lượng cực kì cao của các hạt đồng nghĩa là chúng hầu như nhất định bay ra xa nhau trước khi chúng có cơ hội kết hợp lại. Tuy nhiên, có vài ba mô hình trong đó sự phân hủy như thế được tăng cường – ví dụ, một mô hình như thế cho phép sự ra đời của những cặp ảo gồm những hạt và phản hạt không thể bay ra xa nhau. “Nếu đây là một dấu hiệu vật chất tối, thì nó sẽ gợi ý một mô hình trong đó vạch phổ trên là mạnh đến bất ngờ,” Weniger nói.
Weniger biết rằng vạch phổ tia gamma của ông là tạm thời, nó bao gồm những điểm dữ liệu từ chỉ khoảng 50 photon, và việc đạt tới mức 5σ cần thiết để khẳng định một khám phá có khả năng đòi hỏi có thêm vài năm dữ liệu nữa. Ông cũng cho biết vì phân tích của ông chỉ dựa trên dữ liệu đã công bố nên ông không biết rõ các sai số thí nghiệm là bao nhiêu.
Phân tích của Weniger có đăng tại arXiv:1204.2797.
Alpha Physics – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com
