Các hạt mới cho thấy liên hệ giữa vật chất tối và các phản hạt hay lẫn tránh

Các nhà vật lý tại Mỹ và Canada vừa đề xuất một hạt cơ bản mới có thể giúp giải đáp hai khúc mắt quan trọng của vật lý hiện đại: bản chất của vật chất tối và tại sao vật chất lại chiếm ưu thế đến vậy so với phản vật chất?

Một hạt X được đề nghị, có thể phân hủy để tạo thành hầu hết vật chất thông thường, trong khi phản hạt của nó sẽ phân hủy thành các hạt phản vật chất còn lẫn tránh. Nhóm nghiên cứu cho biết, sự tồn tại của hạt X trong giai đoạn sơ khai của vũ trụ có thể giải thích được sự phổ biến vượt trội của vật chất thông thường và vật chất tối thực sự là các hạt phản vật chất còn dấu mặt.

Vật chất tối là loại vật chất chưa được biết đến nhiều, chiếm khoảng 80% tổng lượng vật chất của vũ trụ. Mặc dù, sự tồn tại của nó có thể nhận thấy thông qua hiệu ứng hút hấp dẫn lên vật chất thông thường, nhưng các nhà vật lý vẫn chưa tìm thấy bằng chứng trực tiếp về đối tượng này và do vậy, chưa thể biết được nó tạo thành từ cái gì. Ngược lại, phản vật chất có thể tạo ra và nghiên cứu một cách dễ dàng trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, Mô hình chuẩn của vật lý hạt vẫn chưa thể giải thích được tại sao phản vật chất lại hiếm đến vậy.

Các thiết bị dò SuperKamiokande nằm sâu dưới lòng đất 1 km và được thiết kế để tìm kiếm bằng chứng về các phân hủy proton(Ảnh: Đại học Tokyo)

Giả định và sự lẫn tránh

Mới đây, Hooman Davoudiasl ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven cùng các cộng sự ở TRIUMF và Đại học Columbia, Anh quốc vừa đề xuất một hạt mới, kí hiệu là X, có thể giúp giải quyết hai bí ẩn này. Hạt X có khối lượng khoảng 1000Gev, tức là nặng hơn proton cả ngàn lần. Hạt mới này có thể phân hủy thành một nơ-trôn hoặc hai hạt giả định còn chưa được biết đến là Y và Φ. Cả hai hạt sản phẩm này có khối lượng khoảng 2-3GeV. Phản hạt của X sẽ phân hủy thành một phản nơ-trôn hoặc một cặp phản Y và phản Φ.

Các nhà vật lý đang cố gắng giải thích sự bất đối xứng baryon (sự mất cân bằng giữa vật chất thông thường-baryon và phản vật chất-phản baryon) bằng cách thừa nhận sự vi phạm đối xứng CP(đối xứng điện tích-chẳn lẽ), là nguyên nhân tạo ra ưu thế cho vật chất hơn là phản vật chất khi xảy ra quá trình phân hủy hạt. Vi phạm CP đã được kiểm chứng trong phòng thí nghiệm, nhưng sự thiên vị của vi phạm này cho vật chất là quá nhỏ so với sự mất cân bằng thực tế.

Hạt X cũng cho phép vi phạm đối xứng CP nhưng theo cách mà tác giả Kris Sigurdson của Đại học Columbia gọi là mẫu phân hủy "âm dương" (hai đối cực trong Thuyết Ngũ hành). Theo cách này, chênh lệch về độ phổ biến của kênh phân hủy của hạt X thành nơ-trôn so với kênh phản hạt X thành phản nơ-trôn tương đương với chênh lệch về độ phổ biến của kênh phân hủy phản hạt X thành phản Y và phản Φ so với kênh hạt X thành Y và Φ. Trong khi hầu hết các hạt đều bị hủy bởi phản hạt của chúng trong vũ trụ sơ khai, sự phân bố của các kênh phân rã sẽ ưu tiên vật chất nhìn thấy và các hạt phản vật chất tối tạo nên vũ trụ.

Tìm kiếm các phân hủy proton

Nhóm nghiên cứu cũng đang tìm cách "bắt" các phản Y và phản Φ. Không giống như các hạt nặng tương tác yếu(WIMPs) chiếm ưu thế trong các lý thuyết về vật chất tối, các phản Y và phản Φ không phân hủy với các hạt khác. Tuy nhiên, các phản hạt này sẽ khiến proton phân hủy, điều này bị nghiêm cấm trong Mô hình chuẩn. Nếu một phản Y va chạm với một proton, tức thì một tương tác trung gian với hạt X có thể phá vỡ proton, biến nó thành một kaon mang điện dương và phản Y thành hạt Φ.

Một máy dò tìm kiếm phân hủy proton như hệ thống SuperKamiokande ở mỏ Kamioka của Nhật Bản, có thể bắt kaon. Các hạt kaon tạo ra theo cách này sẽ có năng lượng lớn hơn nhiều so với chúng khi tạo ra từ phân rã proton dựa trên Mô hình chuẩn. Mặc dù, có ưu thế về kênh phân rã này của proton nhưng như Sigurdson cho biết, "Kịch bản này có thể nằm ở giới hạn của khả năng dò tìm hạt."

Mặc dù, có ít nhất ba mô hình liên quan đến sự tạo thành vật chất tối từ sự bất đối xứng baryon được phát triển, nhưng các dấu hiệu phân hủy proton lại nghiêng về hướng trên đây. Dan Hooper ở Fermilab cho biết, "đây là một mô hình rất đáng quan tâm."

Dấu hiệu từ thực nghiệm

Matthew Buckley ở Fermilab cho biết, sự chuyển hướng bất ngờ sang mối liên hệ giữa vật chất tối và sự bất đối xứng baryon do những thí nghiệm gần đây trong việc dò tìm vật chất tối. Mặc dù mô hình WIMP dự đoán các hạt vật chất tối có khối lượng vào khoảng 100GeV, nhưng các thí nghiệm lại cho thấy khối lượng của các hạt này là vào khoảng 7-8 GeV.

Với khối lượng dự kiến lớn như vậy, rõ ràng WIMP không phải là một ứng cử viên phù hợp. Trong khi, các thí nghiệm gần đây càng ủng hộ cho liên hệ giữa vật chất tối và sự bất đối xứng baryon, cũng là lý do mà Buckley tin rằng, vấn đề này xứng đáng được quan tâm hơn trong tương lai.

Xem thêm trên Phys. Rev. Lett. 105 211304.

Tác giả: Kate McAlpine

Theo physicsworld.com