Các nhà vật lí đề xuất tìm kiếm những thành miền vũ trụ

Những cấu trúc kì lạ gọi là thành miền vũ trụ (cosmic domain wall) có thể quan sát được từ Trái đất bằng cách đo sự tác động tinh vi của những cái giống-từ trường của chúng khi chúng đi qua thiên hà của chúng ta. Đó là kết luận của một đội gồm những nhà vật lí ở Mĩ, Canada và Ba Lan. Họ vừa đề xuất một phương pháp mới khảo sát bản chất của vật chất tối và năng lượng tối bí ẩn mà người ta cho là có tràn ngập trong vũ trụ.

Mô hình Big Bang chuẩn hiện nay của vũ trụ học giả định rằng phần lớn năng lượng trong vũ trụ được chứa trong hai chất liệu bí ẩn – vật chất tối và năng lượng tối. Vật chất tối giải thích cho sự bất đối xứng trong chuyển động của các thiên hà và được cho là chiếm khoảng 20% năng lượng của vũ trụ. Năng lượng tối được viện dẫn để giải thích sự giãn nở đang tăng tốc của vũ trụ và phỏng đoán là chiếm khoảng 75%. Đa số những tìm kiếm trực tiếp giả định rằng vật chất tối gồm một loại hạt nào đó, còn năng lượng tối thường được đưa vào tồn tại ở dạng một “hằng số vũ trụ học” thêm vào phương trình trường cho thuyết tương đối rộng. Tuy nhiên, một số khả năng khác cũng đã được đề xuất.

Thành miền bong bóng: Những cấu trúc giống như vậy có tồn tại trong không gian chăng?

Thành miền và axion

Một quan điểm cho rằng vật chất tối và năng lượng tối, thay vậy, được chứa trong những cái gọi là “thành miền” (domain wall). Những cấu trúc này sẽ hình thành bên trong một loại trường lực kì lạ được trung chuyển với những hạt dưới nguyên tử cho đến nay chưa phát hiện ra gọi là axion, chúng vốn được đề xuất từ hồi thập niên 1970 là một phương thức lí giải cho thực tế là vũ trụ dường như chứa nhiều vật chất hơn phản vật chất. Trong vũ trụ sơ khai nóng bỏng, cường độ của trường đó sẽ biến thiên ngẫu nhiên trong không gian, nhưng khi vũ trụ giãn ra và nguội đi, trường đó sẽ ổn định dần đến những giá trị nhất định bên trong những vùng đã mở rộng. Ranh giới giữa những vùng khác nhau này sẽ là thành miền, với sự tăng vọt bất ngờ của trường hai bên các miền mang lại cho chúng năng lượng.

Trong nghiên cứu mới, một nhóm hợp tác đứng đầu là nhà lí thuyết Maxim Pospelov thuộc trường Đại học Victoria ở British Columbia và nhà thực nghiệm Dmitry Budker thuộc trường Đại học California, Berkeley, khảo sát xem những thành miền như thế có thể phát hiện ra được hay không bằng những thiết bị đo trên Trái đất. Ý tưởng của các nhà nghiên cứu là sử dụng các từ kế, dụng cụ gồm những nguyên tử có spin ban đầu sắp thẳng hàng và sau đó có thể quay đi bởi một từ trường ngoài. Một trường kiểu-axion sẽ là “vô hướng”, nghĩa là không giống như từ trường, nó không có một hướng ưu tiên nào trong không gian và vì thế bình thường sẽ không ảnh hưởng đến kết quả đo của từ kế. Tuy nhiên, một sự biến thiên ở cường độ trường, như sẽ xảy ra tại một thành miền, sẽ ảnh hưởng đến spin của nguyên tử trong dụng cụ.

Để biết hiệu ứng này có thể đo được hay không, Pospelov và các đồng sự đã giả sử rằng các thành miền sẽ trữ một phần đáng kể hoặc là vật chất tối hoặc là năng lượng tối của vũ trụ. Trên cơ sở này, họ đã tính ra từ trường hiệu dụng được sinh ra và thời gian cần thiết để Trái đất đi qua một thành miền, giả sử nó đang chuyển động tương đối với mạng lưới thành miền ở một tốc độ tiêu biểu là một phần nghìn tốc độ ánh sáng. Các nhà nghiên cứu tìm thấy có một ngưỡng giá trị có thể có cho khối lượng axion và sự kết hợp giữa trường có liên quan và vật chất bình thường, cường độ từ trường hiệu dụng lẫn thời gian tương tác sẽ nằm trong độ nhạy của những từ kế hiện đại. Họ còn xác định được những tương tác như thế sẽ xảy ra ít nhất là một lần trong mỗi vài ba năm.

Khả năng hiếm

Tuy nhiên, như các nhà nghiên cứu trình bày, những cái nhìn tương đối hiếm như thế sẽ khó nhận ra giữa phông nền nhiễu liên tục từ phía từ kế, sự chắn trường của nó và tập hợp những nguồn ngoài như dây cấp điện, xe cộ chạy qua hay thậm chí cả những cơn bão từ trong khí quyển của Trái đất. Giải pháp họ nêu ra là tạo ra một mạng lưới gồm ít nhất năm dụng cụ như thế. Bốn dụng cụ sẽ xác định tốc độ và hướng dịch chuyển của một thành đang đi qua. Những số liệu này sẽ được sử dụng để tính ra thời gian tương tác của thành miền với dụng cụ thứ năm. Nếu dự đoán và số liệu đo được khớp với nhau thì, theo Budker, “bạn có thể chắc chắn hơn rằng bạn đã nhìn thấy một thành miền”.

Các nhà nghiên cứu đã ước lượng hiệu quả của hai nguyên mẫu dụng cụ, một đặt tại Berkeley và một tại trường Đại học Jagiellonian ở Krakow. Họ cho biết họ có thể làm tương quan tín hiệu từ hai chiếc máy và rằng họ có thể loại bỏ một phần nhiễu đáng kể. Nay họ hi vọng có được chừng 10 triệu USD ngân quỹ mới để chế tạo mạng lưới cỡ đầy đủ, với những dụng cụ kia có khả năng đặt tại trường Đại học California ở East Bay và đâu đó ở nước Mĩ, cũng như ở những nước khác.

Không thấy không hẳn là thất bại

Budker thừa nhận rằng khái niệm thành miền “có chút kì lạ” và nằm ngoài dòng chính thống khi xét tìm kiếm vật chất tối và năng lượng tối. Ông còn biết rằng sai số lí thuyết khiến người ta khó biết xác suất phát hiện sẽ là bao nhiêu. Nhưng ông vẫn cho rằng sự phát hiện không phải là thước đo duy nhất của thành công. “Cái rất quan trọng cần nhận ra trong khi tìm kiếm nền vật lí mới lạ là việc không nhìn thấy cái gì đó không hẳn là một thất bại,” ông nói. “Thay vậy, nếu bạn bác bỏ cả một họ mô hình khả dĩ nào đó thì đó lại là một thành công.”

Joana Oliveira thuộc trường Đại học Porto ở Bồ Đào Nha thì cảnh báo rằng một mạng lưới gồm những thành miền chỉ có thể góp phần đáng kể cho năng lượng tối nếu như nó “bị hỏng”. Điều này có nghĩa là các thành miền hầu như tĩnh tại so với nhau, sự chuyển dịch duy nhất của chúng là sự căng ra do sự giãn nở của vũ trụ. “Khó khăn trong việc thu được cấu hình này giống như chuyện ngăn không cho bọt nổi trong một cốc bia,” bà nói.

Tham khảo: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i2/e021803

Nguồn: physicsworld.com