Các nhà nghiên cứu vừa công bố kết quả từ một thí nghiệm nhằm tìm kiếm loại hạt được cho là có thể cấu thành nên vật chất tối trong vũ trụ.

Thí nghiệm này sử dụng Cơ sở Máy gia tốc laser điện tử tự do tia X châu Âu (European XFEL) để tìm kiếm axion, một hạt giả thuyết được đề xuất để giải quyết một vấn đề lớn của vật lý hạt: tại sao neutron - mặc dù được cấu tạo bởi các hạt tích điện nhỏ hơn gọi là quark - lại không có mômen lưỡng cực điện (đại lượng dùng để đo sự tách biệt của các điện tích dương và âm trong một hệ hạt tích điện). Để giải thích, các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng axion, một hạt cực nhỏ và cực kỳ nhẹ, có thể “triệt tiêu” sự mất cân bằng này. Nếu quan sát được, chúng ta sẽ nắm được bằng chứng trực tiếp cho vật lý ngoài Mô hình Chuẩn.

Ngoài ra, axion cũng được xem là ứng viên tự nhiên cấu thành vật chất tối, loại vật chất bí ẩn chiếm phần lớn cấu trúc của vũ trụ.

Nguồn ảnh: Gianluca Gregori

Trong thí nghiệm, các nhà khoa học đã sử dụng máy laser tia X lớn nhất và mạnh nhất thế giới: European XFEL, đặt tại Schenefeld gần Hamburg, Đức. Cơ sở này bao gồm một đường hầm dài 3,4 km chứa máy gia tốc tuyến tính siêu dẫn và các đường dẫn chùm photon, cho phép tạo ra các xung tia X siêu ngắn với tần suất lên đến 27.000 xung mỗi giây.

Những xung tia X này được truyền qua các lát tinh thể germani mỏng, được sắp xếp một cách chính xác, vốn sở hữu điện trường nội tại rất mạnh. Đối với các hạt đang chuyển động, điện trường này biểu hiện như một từ trường mạnh (khoảng 10^3 Tesla), giúp chuyển đổi photon thành axion, và ngược lại.

Giữa các tinh thể có một tấm titan mờ đục đóng vai trò rào chắn ngăn photon, chỉ cho phép axion (thứ mà thí nghiệm đang truy tìm) đi qua. Sau đó, chúng được ghi nhận khi chuyển trở lại thành photon trong tinh thể ở phía bên kia - kỹ thuật này được gọi là “ánh sáng xuyên tường”.

Thí nghiệm chứng minh nguyên lý này cho thấy nó có độ nhạy với axion ngang các thí nghiệm khác dựa trên máy gia tốc hạt. Thành công này mở đường cho những thí nghiệm tiếp theo, tập trung vào các axion trong khoảng khối lượng từ milli đến kilo-electron volt. Mục tiêu là nâng cao độ nhạy lên hàng trăm lần để có thể phát hiện các axion với các tính chất được dự đoán bởi lý thuyết Sắc động học Lượng tử (Quantum Chromodynamics).

Nghiên cứu đã được đăng trên tạp chíPhysical Review Letters.

Nguồn: