I. Tổng Quan Về Vật Chất Tối Bằng Chứng Thành Phần
Từ những quan sát ban đầu của Jan Oort và Fritz Zwicky, sự tồn tại của vật chất tối dần được hé lộ. Các nhà thiên văn học nhận thấy sự thiếu hụt khối lượng khi so sánh chuyển động của các thiên hà và cụm thiên hà với khối lượng vật chất nhìn thấy được. Những quan sát này đã đặt nền móng cho việc nghiên cứu sâu hơn về một thành phần bí ẩn của vũ trụ. Theo đó, vũ trụ được cấu tạo bởi ba thành phần: vật chất thông thường (5%), năng lượng tối (70%), và vật chất tối (25%). Vật chất tối và năng lượng tối đều không quan sát được. Vật chất tối được gọi là "tối" vì chúng trung hoà điện, không hấp thụ hay bức xạ điện từ, "tàng hình" đối với dụng cu quan trắc thiên văn. Chúng đổ đầy các thiên hà và mở rộng ra vỏ ngoài thiên hà ở một khoảng cách vô cùng lớn. Chúng ta chỉ có thể nhận biết sự tồn tại của chúng một cách gián tiếp qua các hiệu ứng thiên văn như sự phân bố vận tốc hầu như không đổi của các sao quanh tâm thiên hà, hiện tượng lăng kính hấp dẫn, bức xạ phông nền vũ trụ (CMB). Các phân tích quá trình phát triển vũ trụ chỉ ra rằng, từ thời điểm đầu lúc hình thành các thiên hà, hầu hết vật chất tối ở dạng phi tương đối tính, hay gọi là vật chất tối lạnh. Hiện nay có hai quan niệm về vật chất tối, đó là vật chất tối có nguồn gốc từ vật chất thông thường (baryonic) và vật chất dị thường (non-baryonic DM). Ứng viên cho vật chất tối kiểu baryonic là các sao neutron hay hố đen, là đối tượng nghiên cứu của vật lý thiên văn. Dạng thứ hai của vật chất tối được quan tâm hơn và là đối tượng nghiên cứu của vật lý hạt cơ bản. Chúng thường là các hạt không có tương tác yếu như axion, neutrino trơ (sterlie neutrino), sneutrino trong lý thuyết siêu đối xứng; hoặc có thể là hạt nặng tương tác yếu (WIMPs) hay hạt nặng tương tác hấp dẫn (grativationally-interacting massvie particles, GIMPs). Bên cạnh đó, vật chất dạng non-baryonic còn phải thoã mãn các điều kiện sau: chúng phải bền theo thời gian, tương tác điện từ rất yếu và có mật độ tàn dư phù hợp với thực nghiệm. Ở đây ta cần một đối xứng nào đó để đảm bảo vật chất tối là bền. Về mặt lý thuyết, có hai cách để làm cho vật chất tối là bền.
1.1. Bằng Chứng Thực Nghiệm Về Vật Chất Tối
Một trong những bằng chứng thuyết phục nhất là đường cong vận tốc quay của các thiên hà xoắn ốc. Thay vì giảm khi ra xa trung tâm, vận tốc quay lại duy trì ổn định. Điều này chỉ ra sự hiện diện của một lượng lớn vật chất không nhìn thấy được bao quanh các thiên hà. "Theo lý thuyết hấp dẫn của Newton, vận tốc quay của một sao trên một quỹ đạo Keple với bán kính p R r quay một thiên hà hà có dạng v ∼ M (r)/r với M (r) = 4π ρ(r)r2 dr là khối √ lượng và ρ(r) là mật độ khối lượng và thường tuân theo quy luật ρ(r) ∼ 1/ r."
1.2. Vai trò của Tương Tác Hấp Dẫn và Lăng Kính Hấp Dẫn
Hiệu ứng thấu kính hấp dẫn, hiện tượng bẻ cong ánh sáng bởi các vật thể có khối lượng lớn, cũng cung cấp bằng chứng về sự tồn tại của vật chất tối. Lượng vật chất cần thiết để tạo ra hiệu ứng này lớn hơn nhiều so với lượng vật chất nhìn thấy được trong các cụm thiên hà.
1.3. Phân Tích Sự Va Chạm Các Cụm Thiên Hà và Vật Chất Tối
Sự kiện va chạm giữa các cụm thiên hà, như cụm Bullet, cung cấp một bằng chứng trực tiếp về sự tách biệt giữa vật chất thông thường và vật chất tối. Vật chất tối đi xuyên qua nhau mà không tương tác, trong khi khí nóng (vật chất thông thường) bị chậm lại do tương tác.
II. Thách Thức Trong Nghiên Cứu Vật Chất Tối Vấn Đề Gì
Mặc dù có nhiều bằng chứng cho thấy sự tồn tại của vật chất tối, nhưng bản chất của nó vẫn là một bí ẩn. Các nhà khoa học vẫn chưa xác định được loại hạt nào cấu tạo nên vật chất tối. Điều này tạo ra một thách thức lớn trong việc xây dựng các mô hình vật lý mới và thiết kế các thí nghiệm tìm kiếm vật chất tối. Các nhà khoa học đang nỗ lực tìm kiếm bằng cách sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm tìm kiếm trực tiếp, tìm kiếm gián tiếp và tìm kiếm tại các máy gia tốc hạt. Việc xác định bản chất của vật chất tối có thể mang lại những hiểu biết sâu sắc về cấu trúc của vũ trụ và các định luật vật lý cơ bản.
2.1. Xác Định Ứng Viên Vật Chất Tối WIMP Axion Neutrino Vô Trùng
Nhiều ứng viên đã được đề xuất, bao gồm các hạt tương tác yếu có khối lượng lớn (WIMP), các hạt axion cực nhẹ và các neutrino vô trùng. Mỗi ứng viên có những đặc điểm riêng và đòi hỏi các phương pháp tìm kiếm khác nhau.
2.2. Các Tương Tác Yếu Tương Tác Mạnh và Tương Tác Hấp Dẫn
Việc tìm kiếm vật chất tối gặp khó khăn do tương tác của nó với vật chất thông thường rất yếu. Điều này đòi hỏi các thí nghiệm có độ nhạy cực cao và khả năng loại bỏ nhiễu nền hiệu quả. "Ứng viên cho vật chất tổi kiểu baryonic là các sao neutron hay hố đen, là đối tượng nghiên cứu của vật lý thiên văn. Tuy nhiên, có nhiều bằng chứng thực nghiệm gần đây cho rằng có thể vật chất tối không được cấu tạo bởi vật chất này. Dạng thứ hai của vật chất tối được quan tâm hơn và là đối tượng nghiên cứu của vật lý hạt cơ bản."
2.3. Mật Độ Tàn Dư và Phân Bố Vật Chất Tối Mô Phỏng Vũ Trụ Học
Việc dự đoán mật độ tàn dư của vật chất tối trong vũ trụ và sự phân bố của nó trong các thiên hà là rất quan trọng để hướng dẫn các thí nghiệm tìm kiếm. Các mô phỏng vũ trụ học đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các dự đoán này.
III. Mô Hình Vật Lý Mới Giải Pháp Tìm Kiếm Vật Chất Tối
Để giải quyết các vấn đề mà Mô hình Chuẩn (SM) chưa thể giải thích, các nhà vật lý đã đề xuất nhiều mô hình vật lý mới, thường mở rộng SM. Các mô hình này bao gồm các hạt và tương tác mới, có thể cung cấp ứng viên cho vật chất tối. Luận văn này tập trung vào hai phiên bản mở rộng của SM mà chúng chứa đựng vật chất tối: mô hình lưỡng tuyến Higgs trơ (inert doublet model-IDM) và mô hình 3-3-3-1. Mô hình thứ nhất dựa trên mở rộng phổ Higgs bằng cách đưa thêm một lưỡng tuyến Higgs mới và một đối xứng gián đoạn Z2 , mà qua đối xứng này chia được phổ hạt trong mô hình thành hai lớp : lớp hạt thường chẵn Z2 và lớp hạt lẻ Z2 , và hạt nhẹ nhất trong lớp hạt lẻ này được đồng nhất với vật chất tối. Với mô hình thứ hai là sự mở rộng từ nhóm chuẩn SM SU (3)C ⊗ SU (2)L ⊗ U (1)Y thành nhóm chuẩn SU (3)C ⊗ SU (3)L ⊗ SU (3)R ⊗ U (1)X . Trong mô hình đầu tiên, đối xứng Z2 được đưa vào bằng tay nhằm đảm bảo tính bền của vật chất tối, ngược lại, trong mô hình thứ hai, đối xứng chẵn lẻ WP giống như Z2 xuất hiện tự nhiên là hệ quả của phá vỡ nhóm chuẩn, phổ hạt cũng được chia thành hai lớp như mô hình trên và hạt nhẹ nhất trong các hạt lẻ được coi là vật chất tối.
3.1. Tổng Quan về Mô Hình Lưỡng Tuyến Higgs Trơ IDM
IDM là một mở rộng đơn giản của SM bằng cách thêm một lưỡng tuyến Higgs thứ hai, trơ đối với các tương tác mạnh và điện từ. Hạt nhẹ nhất trong lưỡng tuyến này có thể là ứng viên WIMP khả thi.
3.2. Phân Tích Mật Độ Tàn Dư trong Mô Hình IDM
Tính toán mật độ tàn dư của ứng viên vật chất tối trong IDM giúp giới hạn các thông số của mô hình và so sánh với dữ liệu vũ trụ học.
3.3. Tổng Quan về Mô Hình 3 3 3 1 và Tính Bền Vật Chất Tối
Mô hình 3-3-3-1 là một mở rộng khác của SM, dựa trên nhóm đối xứng SU(3)C ⊗ SU(3)L ⊗ U(1)X. Trong mô hình này, tính bền của vật chất tối có thể được đảm bảo bởi một đối xứng rời rạc.
IV. Tìm Kiếm Trực Tiếp Cách Thức Phát Hiện Vật Chất Tối
Tìm kiếm trực tiếp vật chất tối tập trung vào việc phát hiện các tương tác giữa vật chất tối và vật chất thông thường trong các detector được đặt sâu dưới lòng đất để giảm nhiễu nền từ bức xạ vũ trụ. Các thí nghiệm này sử dụng các chất như xenon lỏng, germanium hoặc silicon để phát hiện năng lượng được giải phóng khi một hạt vật chất tối va chạm với hạt nhân của nguyên tử. Các thí nghiệm tìm kiếm trực tiếp như DAMA/LIBRA, XENON, LUX-ZEPLIN (LZ) và PandaX đang nỗ lực tìm kiếm các tín hiệu hiếm hoi từ vật chất tối.
4.1. Nguyên Tắc Hoạt Động Của Các Thí Nghiệm XENON LUX ZEPLIN LZ
Các thí nghiệm sử dụng xenon lỏng, như XENON1T và LUX-ZEPLIN (LZ), là những thí nghiệm nhạy nhất hiện nay. Chúng phát hiện các tương tác bằng cách đo ánh sáng và ion hóa được tạo ra khi vật chất tối va chạm với hạt nhân xenon.
4.2. Các Loại Tín Hiệu Trong Thí Nghiệm Tìm Kiếm Trực Tiếp
Các thí nghiệm tìm kiếm trực tiếp tìm kiếm ba dạng tín hiệu: Tín hiệu tán xạ hạt nhân, tín hiệu điều biến hàng năm và tín hiệu từ các hạt vật chất tối tương tác.
4.3. Tiết Diện Tán Xạ Độc Lập Spin Giới Hạn Từ Thí Nghiệm
Các thí nghiệm tìm kiếm trực tiếp đặt ra các giới hạn trên tiết diện tán xạ độc lập spin giữa vật chất tối và hạt nhân, giúp loại trừ một số mô hình vật chất tối.
V. Tìm Kiếm Gián Tiếp Phân Tích Sản Phẩm Huỷ Vật Chất Tối
Tìm kiếm gián tiếp vật chất tối tập trung vào việc tìm kiếm các sản phẩm hủy hoặc phân rã của vật chất tối, chẳng hạn như tia gamma, neutrino, positron và antiproton. Các sản phẩm này có thể được phát hiện bởi các kính viễn vọng không gian như Fermi-LAT và AMS-02. Việc phát hiện các sản phẩm hủy này có thể cung cấp thông tin về khối lượng và tương tác của vật chất tối.
5.1. Tìm Kiếm Tia Gamma Với Fermi LAT
Fermi-LAT tìm kiếm tia gamma dư thừa từ các vùng có mật độ vật chất tối cao, chẳng hạn như trung tâm Ngân Hà và các thiên hà lùn.
5.2. Phân Tích Positron và Antiproton với AMS 02
AMS-02 đo phổ positron và antiproton trong bức xạ vũ trụ để tìm kiếm dấu hiệu của sự hủy vật chất tối.
5.3. Ưu điểm và Hạn Chế Của Phương Pháp Tìm Kiếm Gián Tiếp
Tìm kiếm gián tiếp có thể cung cấp thông tin về các tương tác hủy vật chất tối, nhưng tín hiệu có thể bị lẫn với các nguồn thiên văn khác.
VI. LHC Thí Nghiệm Vật Lý Hạt Tạo Ra Vật Chất Tối
Máy gia tốc hạt lớn (LHC) tại CERN có thể tạo ra các hạt vật chất tối trong các va chạm năng lượng cao. Các nhà vật lý tìm kiếm các sự kiện với năng lượng mất tích, một dấu hiệu cho thấy các hạt vật chất tối đã được tạo ra nhưng không tương tác với detector. Việc phát hiện vật chất tối tại LHC sẽ cung cấp thông tin quan trọng về khối lượng và tương tác của nó.
6.1. Tìm Kiếm Năng Lượng Mất Tích tại LHC
Các thí nghiệm tại LHC tìm kiếm các sự kiện với năng lượng và động lượng mất tích, dấu hiệu của các hạt không tương tác với detector.
6.2. Vai trò của Siêu Đối Xứng trong Tìm Kiếm tại LHC
Siêu đối xứng (SUSY) dự đoán các hạt đối tác nặng của các hạt SM, một số trong số đó có thể là ứng viên vật chất tối. LHC đang tìm kiếm các hạt SUSY để tìm ra vật chất tối.
6.3. Kết Quả Từ LHC và Hướng Đi Trong Tương Lai
Mặc dù chưa có vật chất tối nào được phát hiện tại LHC, nhưng các thí nghiệm đã đặt ra các giới hạn trên khối lượng và tương tác của các ứng viên vật chất tối.
