I. Tổng Quan Vật Chất Tối Bằng Chứng Mô Hình Vật Lý Mới
Vật chất tối là một thành phần bí ẩn của vũ trụ, chiếm khoảng 27% tổng năng lượng và vật chất. Nó không tương tác với ánh sáng hoặc bất kỳ bức xạ điện từ nào, khiến nó trở nên vô hình đối với các kính thiên văn thông thường. Sự tồn tại của vật chất tối được suy ra từ các hiệu ứng hấp dẫn của nó lên các vật thể nhìn thấy được, chẳng hạn như các ngôi sao và thiên hà. Các bằng chứng thực nghiệm cho thấy vật chất tối là cần thiết để giải thích vận tốc quay của các thiên hà, hiện tượng thấu kính hấp dẫn và cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ. Các mô hình vật lý mới đang được phát triển để giải thích bản chất của vật chất tối, bao gồm các hạt WIMP, axion và neutrino vô trùng.
1.1. Bằng Chứng Thiên Văn Học Về Vật Chất Tối Tổng Quan
Bằng chứng đầu tiên về vật chất tối đến từ Jan Oort năm 1932, khi ông quan sát sự chuyển động của các sao trong nhóm địa phương và nhận thấy khối lượng của các sao phát sáng không đủ để giải thích khối lượng của cả nhóm. Tiếp theo, Fritz Zwicky năm 1933, nghiên cứu cụm thiên hà Coma, cũng đưa ra kết luận tương tự. Đến những năm 1960, các phép đo vận tốc quay của các thiên hà xoắn ốc cho thấy vận tốc của các ngôi sao ở rìa ngoài của thiên hà không giảm như dự đoán, mà lại duy trì ở mức gần như không đổi. Điều này cho thấy sự tồn tại của một lượng lớn vật chất tối bao quanh thiên hà, tạo ra lực hấp dẫn bổ sung để giữ cho các ngôi sao không bị văng ra. Hiệu ứng thấu kính hấp dẫn cũng cung cấp bằng chứng về sự tồn tại và phân bố của vật chất tối trong vũ trụ.
1.2. Vật Chất Tối Baryonic và Non Baryonic So Sánh Chi Tiết
Hiện nay có hai quan niệm về vật chất tối: vật chất tối có nguồn gốc từ vật chất thông thường (baryonic) và vật chất tối 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. 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. 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 (weakly interacting massive particles-WIMPs) hay hạt nặng tương tác hấp dẫn (grativationally-interacting massvie particles, GIMPs).
II. Thách Thức Mô Hình Chuẩn Vật Chất Tối Năng Lượng Tối
Mô hình chuẩn (SM) đã thành công trong việc mô tả các hạt cơ bản và các tương tác của chúng. Tuy nhiên, SM không thể giải thích được sự tồn tại của vật chất tối và năng lượng tối. Điều này cho thấy rằng SM là một lý thuyết chưa hoàn chỉnh và cần được mở rộng để bao gồm các hiện tượng mới. Các nhà vật lý đang nỗ lực phát triển các mô hình vật lý mới vượt ra ngoài SM để giải thích bản chất của vật chất tối và năng lượng tối. Các mô hình này thường giới thiệu các hạt và tương tác mới, có thể được kiểm tra bằng các thí nghiệm vật lý hạt và thiên văn học.
2.1. Hạn Chế Của Mô Hình Chuẩn Neutrino Khối Lượng Thế Hệ
Trong SM, neutrino không có khối lượng, số lepton thế hệ bảo toàn. Bằng chứng thực nghiệm cho thấy neutrino có khối lượng nhỏ khác không và có sự trộn lẫn, số lepton thế hệ không bảo toàn. SM mới chỉ thống nhất được ba trong bốn tương tác cơ bản. SM không cho câu trả lời vì sao chỉ có 3 thế hệ fermion (trong SM, số thế hệ có thể bất kỳ). Tại sao lại có sự lượng tử hóa điện tích, các điện tích quan sát thấy chỉ bằng bội số nguyên lần một điện tích nguyên tố (Trong SM các điện tích có giá trị bất kỳ). SM không trả lời được câu hỏi tại sao chỉ có ba thế hệ các fermion, sự phân bậc khối lượng, tại sao top quarrk có khối lượng lớn, mà neutrino có khối lượng bé.
2.2. Bất Đối Xứng Vật Chất Phản Vật Chất Vấn Đề Nan Giải
SM chưa thể giải thích được vấn đề bất đối xứng vật chất, phản vật chất. Thực tế chúng ta chỉ quan sát được vật chất cấu thành từ các hạt, không tìm thấy bằng chứng cho thấy sự tồn tại của phản vật chất, vi phạm các nguyên lý cơ sở của SM. Sự vi phạm CP mạnh trong lý thuyết sắc động học lượng tử (QCD). Đối với thực nghiệm, tương tác mạnh hoàn toàn bảo toàn CP, về lý thuyết thì bất kỳ, có thể vi phạm và lớn bất kỳ. Quan trọng hơn nữa đó là việc mô hình chuẩn không thể dự đoán, giải thích được vật chất tối cũng như năng lượng tối.
III. Mô Hình Lưỡng Tuyến Higgs Trơ Giải Pháp Vật Chất Tối
Mô hình lưỡng tuyến Higgs trơ (IDM) là một mở rộng của SM, trong đó thêm một lưỡng tuyến Higgs thứ hai, không tương tác với các fermion SM. Mô hình này cung cấp một ứng cử viên vật chất tối tự nhiên, đó là hạt Higgs trung hòa nhẹ nhất trong lưỡng tuyến Higgs trơ. Tính bền của vật chất tối được đảm bảo bởi một đối xứng Z2 được áp đặt lên mô hình. IDM có thể giải thích mật độ vật chất tối quan sát được trong vũ trụ và phù hợp với các giới hạn từ các thí nghiệm tìm kiếm trực tiếp và gián tiếp vật chất tối.
3.1. Cấu Trúc Phổ Hạt Lagrangian Trong Mô Hình IDM
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.
3.2. Đồng Nhất Vật Chất Tối Từ Các Hạt Ứng Viên Trong IDM
Thực hiện việc đồng nhất vật chất tối từ các hạt ứng viên. Cuối cùng, thực hiện tính toán số để thu được vùng không gian tham số cho mật độ tàn dư của vật chất tối đúng cũng như tìm kiếm trực tiếp và gián tiếp. Trong chương này, cấu trúc phổ hạt, các Lagrangian của mô hình được giới thiệu, sau đó thực hiện việc đồng nhất vật chất tối từ các hạt ứng viên.
IV. Mô Hình 3 3 3 1 Tiếp Cận Mới Cho Nghiên Cứu 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. Mô hình này dự đoán sự tồn tại của các boson gauge mới và các fermion mới, cũng như một ứng cử viên vật chất tối tự nhiên. Trong mô hình 3-3-3-1, tính bền của vật chất tối được bảo vệ bởi một đối xứng rời rạc, xuất phát từ sự phá vỡ của nhóm đối xứng chuẩn. Mô hình này có thể giải thích mật độ vật chất tối quan sát được và có thể được kiểm tra bằng các thí nghiệm tại Large Hadron Collider (LHC).
4.1. Đối Xứng Tàn Dư Tính Bền Của Vật Chất Tối Trong 3 3 3 1
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. Đây là hai ví dụ tiêu biểu của hai cách tiếp cận khác nhau trong việc tìm cơ chế bền cho vật chất tối. Hy vọng với việc xác định loại hạt nào là ứng cử viên của vật chất tối sẽ giúp ta giới hạn các đặc điểm cũng như khối lượng của các phổ hạt trong mô hình mới và giúp ta đưa ra những dự đoán về khả năng tìm kiếm và phát hiện các hạt này trong thí nghiệm.
4.2. Tìm Kiếm Vật Chất Tối Trong Mô Hình 3 3 3 1 Triển Vọng
Chúng tôi sẽ tham khảo các công bố về mô hình này và trình bày những điểm hấp dẫn của mô hình về vật chất tối. Các công việc trong chương này cũng được tiến hành như trong chương 2. Tuy nhiên mô hình 3-3-3-1 có tồn tại một đối xứng tàn dư là hệ quả của phá vỡ đối xứng chuẩn, chính đối xứng này đảm bảo tính bền của vật chất tối. Đây là điều khác biệt so với mô hình với lưỡng tuyến Higgs trơ trong chương 2 do mô hình trên đưa đối xứng gián đoạn bằng tay.
V. Thí Nghiệm Tìm Kiếm Vật Chất Tối Trực Tiếp Gián Tiếp LHC
Các thí nghiệm tìm kiếm vật chất tối được chia thành ba loại chính: tìm kiếm trực tiếp, tìm kiếm gián tiếp và tìm kiếm tại máy gia tốc hạt. Các thí nghiệm tìm kiếm trực tiếp cố gắng phát hiện sự tán xạ của các hạt vật chất tối với các hạt nhân nguyên tử trong các detector dưới lòng đất. Các thí nghiệm tìm kiếm gián tiếp tìm kiếm các sản phẩm phân rã hoặc hủy của vật chất tối, chẳng hạn như tia gamma, neutrino và phản vật chất. Các thí nghiệm tại LHC tìm kiếm các hạt mới có thể tương tác với vật chất tối.
5.1. Tìm Kiếm Trực Tiếp Vật Chất Tối Nguyên Tắc Thách Thức
Các thí nghiệm tìm kiếm trực tiếp cố gắng phát hiện sự tán xạ của các hạt vật chất tối với các hạt nhân nguyên tử trong các detector dưới lòng đất. Các detector này thường được đặt sâu dưới lòng đất để giảm thiểu nhiễu từ bức xạ vũ trụ. Khi một hạt vật chất tối va chạm với một hạt nhân, nó sẽ truyền một lượng nhỏ năng lượng cho hạt nhân, có thể được phát hiện dưới dạng ánh sáng, nhiệt hoặc ion hóa. Tuy nhiên, tín hiệu từ các tương tác vật chất tối rất yếu và khó phân biệt với các tín hiệu nền.
5.2. Tìm Kiếm Gián Tiếp Vật Chất Tối Tia Gamma Neutrino Phản Vật Chất
Các thí nghiệm tìm kiếm gián tiếp tìm kiếm các sản phẩm phân rã hoặc hủy của vật chất tối, chẳng hạn như tia gamma, neutrino và phản vật chất. Nếu vật chất tối tự hủy, nó có thể tạo ra các hạt SM có thể được phát hiện bởi các kính thiên văn và detector hạt. Ví dụ, các tia gamma năng lượng cao có thể được tạo ra từ sự hủy của các hạt WIMP. Các neutrino có thể được tạo ra từ sự phân rã của các hạt vật chất tối nặng.
VI. Tương Lai Nghiên Cứu Vật Chất Tối Hướng Đi Bài Toán Mở
Nghiên cứu vật chất tối là một lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng, với nhiều câu hỏi mở và thách thức phía trước. Các nhà vật lý đang tiếp tục phát triển các mô hình vật lý mới và các kỹ thuật thí nghiệm mới để tìm kiếm và xác định bản chất của vật chất tối. Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm việc xây dựng các detector vật chất tối lớn hơn và nhạy hơn, phát triển các kỹ thuật phân tích dữ liệu mới và tìm kiếm các tín hiệu vật chất tối trong dữ liệu từ LHC.
6.1. Các Bài Toán Mở Trong Nghiên Cứu Vật Chất Tối Tổng Hợp
Việc xác định bản chất của vật chất tối vẫn là một trong những bài toán lớn nhất trong vật lý hiện đại. Các câu hỏi mở bao gồm: Vật chất tối được cấu tạo từ loại hạt nào? Các hạt vật chất tối tương tác với nhau và với các hạt SM như thế nào? Vật chất tối phân bố như thế nào trong vũ trụ? Các thí nghiệm trong tương lai sẽ giúp trả lời những câu hỏi này.
6.2. So Sánh Lý Thuyết Thực Nghiệm Bước Tiến Trong Tương Lai
So sánh lý thuyết và thực nghiệm vật chất tối, các bài toán mở trong nghiên cứu vật chất tối. Hy vọng với việc xác định loại hạt nào là ứng cử viên của vật chất tối sẽ giúp ta giới hạn các đặc điểm cũng như khối lượng của các phổ hạt trong mô hình mới và giúp ta đưa ra những dự đoán về khả năng tìm kiếm và phát hiện các hạt này trong thí nghiệm.
