Các lí thuyết vũ trụ tối – Phần 2

• Jeff Forshaw – Physics World, số tháng 7/2014

Tiếp cận lí thuyết

Tất cả những lựa chọn này nhằm phát hiện vật chất tối hiện nay đều đang được theo đuổi, và đã có một số dấu hiệu đầy khích lệ (nhưng chưa có gì thêm) trong dữ liệu thu thập. Tình trạng này để lại cho các nhà lí thuyết một lựa chọn: họ có thể xây dựng các mô hình lấy cảm hứng từ những dấu hiệu đó, hoặc họ có thể được chỉ dẫn thêm bởi các xét đoán lí thuyết thuần túy.

>> Xem Phần 1

Hai ứng cử viên vật chất tối nổi tiếng nhất trên lí thuyết đã xuất hiện khá lâu nay, và chẳng ứng cử viên nào giải được câu đố vật chất tối. Ứng viên thứ nhất được gọi là siêu hạt đối xứng nhẹ nhất (LSP). Như tên gọi của nó cho biết, LSP được dự đoán trong nhiều mở rộng “siêu đối xứng” (SUSY) cho Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt. Có nhiều lí do hợp lí để ủng hộ rằng Mô hình Chuẩn cần thiết phải mở rộng, nhưng với các mục đích của chúng ta, chúng ta chỉ cần biết là SUSY dự đoán rằng với mỗi boson/fermion trong Mô hình Chuẩn có tồn tại một fermion/boson đối hạt, và hạt nhẹ nhất trong những “siêu đối hạt” này thường là bền, tương tác yếu và đủ nặng để làm một ứng viên tuyệt vời cho vật chất tối.

Nhược điểm là các mở rộng siêu đối xứng cho Mô hình Chuẩn xuất hiện với rất nhiều tham số chưa biết, vì thế có nhiều triển khai có giá trị của SUSY. Trong số những mở rộng trụ vững với thời gian, đa số tiên đoán rằng LSP sẽ là một hạt gọi là neutralino, đó là một kết hợp của các siêu đối hạt của các hạt trung chuyển lực yếu (boson W và Z) và boson Higgs.

LSP là một ví dụ của hạt nặng tương tác yếu (WIMP). Trong tìm kiếm vật chất tối, WIMP hiện nay là mô hình chính, và vì có lí do hợp lí. Thực tế LSP là một WIMP tự thân nó là một động lực mạnh mẽ, vì thực tế các WIMP được cho là tương tác yếu với hạt nhân nguyên tử và phân hủy theo cặp, tạo ra các photon năng lượng cao và các neutrino. Như ta đã thấy ở phần trước, cả hai hành trạng đều mang lại các cơ hội dò tìm.

Nhưng có lẽ đặc điểm hấp dẫn nhất của các WIMP là cái gọi là “điều kì diệu WIMP”. Nói kì diệu thì có chút hơi quá, nhưng cái chắc chắn thú vị là nhiệt động lực học của vũ trụ sơ sinh giúp có thể dự đoán sự dồi dào hiện nay của các WIMP nếu chúng ta biết tốc độ mà các cặp WIMP hủy lẫn nhau. Cái “kì diệu” ở đây là sự dồi dào của các WIMP sẽ khớp với bằng chứng cho vật chất tối nếu WIMP đang tương tác yếu và có khối lượng trong ngưỡng từ 10 GeV đến 1 TeV. Đây chính là các tính chất được trông đợi của LSP.

Ứng viên vật chất tối chính còn lại phát sinh từ một phát triển lí thuyết chẳng có dính líu gì với vật chất tối là axion. Hạt giả thuyết này xuất hiện vào thập niên 1970 là hệ quả của cái gọi là “bài toán CP mạnh” trong lĩnh vực sắc động lực học lượng tử (QCD), đó là lí thuyết chi phối lực hạt nhân mạnh. Axion được cho là rất nhẹ, với các thí nghiệm và quan sát ràng buộc khối lượng của nó đâu đó giữa một micro và một milli electronvolt. Mặc dù nhẹ, nhưng nó vẫn là ứng viên tốt cho vật chất tối lạnh vì theo dự đoán thì nó được tạo ra về cơ bản là đứng yên.

Axion còn được dự đoán là chỉ tương tác yếu với vật chất bình thường. Tuy nhiên, sự kết hợp yếu của nó với photon có thể được khai thác để tìm kiếm axion thông qua sự biến đổi của chúng thành các photon trong sự có mặt của một từ trường mạnh. Việc quan sát một biến đổi như thế là mục tiêu của thí nghiệm Vật chất Tối Axion, và nó có thể bao quát một phần đáng kể của ngưỡng kết hợp khối lượng được ưa chuộng trên lí thuyết trong vài năm sắp tới.

Một số ứng viên vật chất tối giả thuyết, bao gồm các ứng viên đã nói trong bài và một vài ứng viên khác. Đồ thị biểu diễn ngưỡng khối lượng như trông đợi của hạt đi cùng và đồng thời còn biểu diễn tiết diện như trông đợi, đó là một số đo của tốc độ mà các hạt vật chất tối tương tác. Điều đặc biệt nên lưu ý là ngưỡng biến thiên hết sức lớn trong cả hai trường hợp này. (Ảnh: DMAG Report on the Direct Detection and Study of Dark Matter)

Trông có vẻ khích lệ, nhưng LSP và axion chỉ là hai trong nhiều khả năng mà thôi. Ví dụ, câu hỏi tại sao mật độ vật chất tối và vật chất nhìn thấy lại cùng bậc độ lớn đã truyền cảm hứng cho sự phát triển các mô hình “vật chất tối bất đối xứng”. Chúng ta biết rằng mật độ vật chất nhìn thấy hiện nay là tàn dư nhỏ nhặt còn sót lại sau một quá trình phân hủy vật chất-phản vật chất vào thời kì vũ trụ sơ khai. Quan điểm là cơ chế tạo ra hơi dư một chút vật chất so với phản vật chất vào thời vũ trụ sơ khai cũng tạo ra hơi dư một chút vật chất tối so với phản vật chất tối. Và, giống hệt như với vật chất bình thường, vật chất tối và phản vật chất tối sau đó hủy nhau để lại tàn dư của vật chất tối mà chúng ta luận ra ngày nay.

Nếu hướng suy nghĩ là đúng, thì số hạt vật chất tối đại khái phải bằng số lượng proton trong vũ trụ. Vì mật độ năng lượng của vật chất tối khoảng gấp năm lần mật độ năng lượng của vật chất bình thường, nên điều này hàm ý là một hạt vật chất tối sẽ có khối lượng gấp khoảng năm lần một hạt proton. Giá trị chính xác của khối lượng đó phụ thuộc vào các chi tiết riêng của mô hình, nhưng nó thường rơi trong ngưỡng 5 đến 15 GeV – nó vừa vặn tương ứng với vùng trong đó một số thí nghiệm dò tìm trực tiếp đã báo cáo bằng chứng trêu ngươi của một tín hiệu vật chất tối. Về mặt hạn chế, ở những khối lượng thấp như vậy, các thí nghiệm mất đi độ nhạy bởi vì năng lượng tích tụ bởi vật chất tối là quá nhỏ để phát hiện được.

Về năng lượng tối

So với vật chất tối, lịch sử năng lượng tối ngắn ngủi hơn. Sự tồn tại của nó đã được nhận ra vào giữa thập niên 1990 sau các quan sát sao siêu mới loại Ia ở xa – các sao lùn trắng đang nổ rất sáng và dễ đoán trước – cho thấy sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc. Đây là một kết quả ngoài trông đợi, thậm chí là phản trực giác: nó dường như ngụ ý rằng một phần lớn mật độ năng lượng của vũ trụ phát sinh dưới dạng kết quả của một cái gì đó tác dụng một áp suất âm. Đây chắc chắn không phải là cái vật chất bình thường làm được, cho nên chúng ta gọi chất liệu tác dụng áp suất âm này là “năng lượng tối”.

Trong mô hình ΛCDM, sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ (và do đó, năng lượng tối) được quy cho một hằng số vũ trụ học khác không trong các phương trình Einstein của thuyết tương đối rộng. Các phép đo sao siêu mới cung cấp cho chúng ta một số thông tin về cỡ của hằng số vũ trụ học này, và chúng ta còn có thể trích luận ra giá trị của nó bằng cách khảo sát các thăng giáng trong CMB. Ví dụ, sử dụng số liệu thu thập bởi vệ tinh Planck, người ta có thể suy luận rằng vật chất tối chiếm 69% mật độ năng lượng toàn phần của vũ trụ - một giá trị ăn khớp tốt với dữ liệu sao siêu mới. Các nghiên cứu sự lớn lên của cấu trúc trong các thiên hà hướng tới một kết luận tương tự.

Khái niệm một hằng số vũ trụ học khác không là phù hợp với mọi dữ liệu quan sát mà chúng ta đã thu thập được cho đến nay. Tuy nhiên, dữ liệu không chứng minh rằng năng lượng chân không thật sự là hằng số. Thật vậy, dữ liệu có lẽ đang ngụ ý rằng có cái gì đó lí thú đang diễn ra với năng lượng tối hơn là một hằng số vũ trụ học. Có vẻ như chúng ta đang sống tại một thời điểm rất đặc biệt trong lịch sử vũ trụ. Vào lúc kể từ khi các nguyên tố nhẹ hình thành khi vũ trụ chỉ vài ba phút tuổi, mật độ năng lượng trong vật chất đã giảm (do vũ trụ giãn nở) một lượng khoảng 10²⁵ lần. Trong thời gian này, mật độ năng lượng đi cùng với một hằng số vũ trụ học sẽ giữ nguyên không đổi, nó trùng hợp ngẫu nhiên đến mức ngày nay vừa đúng thời điểm khi hai bên có giá trị đại khái bằng nhau (5% và 68% được xem là “đại khái bằng nhau” trong trường hợp này). “Vấn đề trùng hợp ngẫu nhiên” này có thể tránh được nếu mật độ năng lượng trong chân không không giữ nguyên theo thời gian. Có lẽ ngày nay nó nhỏ bởi vũ trụ đã già.

Một manh mối nữa về bản chất của năng lượng tối đến từ ngành vật lí hạt cơ bản. Nếu vũ trụ chìm trong một trường spin zero – cái hơi giống với trường đi cùng với boson Higgs, trường gây ra khối lượng của các hạt sơ cấp trong Mô hình Chuẩn – thì năng lượng tối sẽ phát sinh là một hệ quả tự nhiên. Phù hợp với “nguyên tố thứ năm” bí ẩn của Aristotle, trường spin zero đi cùng với năng lượng tối được gọi là “nguyên tố thứ năm”.

Quan điểm sử dụng một trường spin zero để gây ra gia tốc vũ trụ chẳng có gì mới mẻ. Nó là một cơ sở của đa số lí thuyết lạm phát hiện đại đề xuất rằng sự giãn nở của vũ trụ đã tăng tốc rất nhanh trong một khoảng thời gian rất ngắn ngay lúc vũ trụ ra đời. Trái lại, trường nguyên tố thứ năm đòi hỏi phải hoạt tính cho đến ngày nay. Trường đó sẽ tự động tạo ra một áp suất âm nếu năng lượng của nó phần lớn được tạo bởi thế năng. Trong trường hợp động năng trong trường bằng không, thì năng lượng tối hành xử giống như một hằng số vũ trụ học nhưng, tổng quát hơn, nguyên tố thứ năm sẽ dẫn tới một mật độ năng lượng tối biến thiên theo thời gian. Không cần phải nói, các quan sát hiện nay và các quan sát đã được lên kế hoạch đang cố gắng xuất hiện mức độ mà mật độ năng lượng tối thật sự biến thiên theo thời gian.

Tin tức đáng khích lệ là người ta có thể xây dựng các mô hình nguyên tố thứ năm trong đó mật độ năng lượng tối lúc không có thời gian nhỏ hơn nhiều mật độ năng lượng trong vật chất hay bức xạ. Như vậy sẽ lí giải được vấn đề trùng hợp ngẫu nhiên. Thật không may, hiện nay chẳng có mô hình lí thuyết có tính thuyết phục nào của nguyên tố thứ năm: trường spin zero mới phải được đưa ra mà không cần bất kì động cơ nào từ bên ngoài và thế năng của nó được chọn “thủ công” để gieo tiến hóa như mong muốn của mật độ năng lượng của trường. Nhưng tất nhiên, thực tế chúng ta bất tri chẳng làm xấu đi quan niệm nguyên tố thứ năm.

Bản đồ 3D này của vật chất tối trong vũ trụ của chúng ta được công bố vào năm 2007 bởi chương trình khảo sát COSMOS. Nó được tạo dựng chỉ yếu bằng các kĩ thuật thấu kính hấp dẫn. (Ảnh: NASA, ESA và R. Massey)

Một lựa chọn khác, và là một lựa chọn có lượng đáng kể yêu cầu hời hợt, là vứt bỏ một trong những giả định chính của mô hình ΛCDM. Thay vì viện dẫn một trường mới để giải thích gia tốc vũ trụ như đã quan sát, chúng ta có thể nuôi dưỡng quan điểm rằng lí thuyết hấp dẫn của Einstein cần được cải tiến trên các thang bậc lớn nhất. Tuy nhiên, bất chấp rất nhiều cố gắng, những người ủng hộ các lí thuyết lực hấp dẫn cải tiến vẫn không thể đưa ra một trường hợp có sức thuyết phục nào. Để điều chỉnh hai rằng buộc của dữ liệu ràng buộc cao đó (lí thuyết tương đối rộng đã được kiểm nghiệm rất tốt) và tính tương thích lí thuyết (người ta dễ dàng xây dựng các mô hình không mang lại ý nghĩa gì), các lí thuyết lực hấp dẫn cải tiến thường bị ép thành y hệt lí thuyết Einstein với một hằng số vũ trụ học.

Vật chất tối cùng năng lượng tối là hiện thân của sự thách thức nghiêm trọng nhất đối với kiến thức của chúng ta về các định luật chi phối vũ trụ. Mặc dù các quan niệm của chúng ta về chúng thường có động cơ tốt, nhưng có khả năng chẳng có khái niệm trong số chúng sẽ là đúng. Như chúng ta thường học tập và rút kinh nghiệm, có nhiều con đường sai lạc hơn là đường đi đúng. Hơn nữa, các câu trả lời sẽ không nhất thiết xuất hiện nhanh chóng. Vật chất tối, chẳng hạn, có thể tương tác quá yếu nên chúng ta chỉ có thể học biết về nó thông qua tác dụng hấp dẫn của nó. Trong trường hợp đó, có lẽ chúng ta không bao giờ có thể nhận ra các tính chất hạt của nó.

Cũng có khả năng là vật chất và năng lượng tối chỉ là phần nổi của một tảng băng chìm, hiểu theo nghĩa là lí thuyết cơ sở không đơn thuần chỉ là một mở rộng đơn giản của Mô hình Chuẩn. Có lẽ có cả một “phân khu tối”, cùng với tương đương riêng của nó của Mô hình Chuẩn. Trong trường hợp đó, chúng ta sẽ có rất nhiều việc để làm trước khi có thể khẳng định một hiểu biết đầy đủ. Tóm lại, cơ sở vật lí của 5% vũ trụ của chúng ta không phải vật chất tối hay năng lượng tối là hết sức phong phú, và việc tìm hiểu nó là công việc của nhiều thế hệ và nhiều thí nghiệm.

Tác giả: Jeff Forshaw – ĐH Manchester, Anh quốc
Bài đăng trên tạp chí Physics World, tháng 7/2014