VẬT CHẤT TỐI VÀ SIÊU CHẢY
Vật chất tối và chất lỏng siêu chảy (superfluid)
Vấn đề vật chất tối (DM-Dark
matter) là một trong những vấn đề chứa nhiều bí ẩn trong vật lý hiện đại.70 năm
đã trôi qua mà bài toán vật chất tối – một trong những bài toán cơ bản của vật
lý - vẫn chưa có lời giải !
Vật chất tối là gì?
Có thể chế tạo nó trong phòng thí nghiệm được không? Một phần lớn vật chất trong vũ trụ là vật chất
tối, không có vật chất tối thì không có sao, có thiên hà có sự sống. Vật chất
tối đã giữ chặt vũ trụ lại. Chúng ta có thể chế tạo được vật chất tối trong các máy gia tốc? Siêu hạt nhẹ nhất trong siêu đối xứng, hạt nhẹ nhất chuyển động
trong các chiều dư, hạt axion trong lý thuyết QCD, có thể thuộc về vật chất
tối?
Vào những năm 30 của thế kỷ trước Fritz Zwicky, một nhà thiên văn trẻ tuổi
người Thuỵ sĩ lập nghiệp ở Mỹ, khi nghiên cứu chuyển động 7 thiên hà trong chòm
Coma, nhận thấy rằng 7 thiên hà này chuyển động quá nhanh so với tính toán thực
hiện trên cơ sở các khối lượng quan sát
được xung quanh. Muốn giải thích được chuyển động nhanh đó, xung quanh 7 thiên
hà nói trên cần phải có một khối lượng
vật chất 400 lần lớn hơn khối lượng quan sát được, nhưng
khối lượng thiếu này không tìm thấy ở đâu cả . Bài toán vật chất tối ( dark matter ) ra đời (1933).
Như vậy trong vũ trụ có 4 thành phần : năng lượng tối (dark energy) gây lực đẩy,vật chất tối (dark
matter) gây lực hút, các sao, các thiên
hà và cuối cùng là các bức xạ. Vật chất tối có thể chiếm đến 30 % mật độ tới
hạn (tức mật độ ứng với lúc không thời gian là phẳng).
Vật chất tối có thể là một loại vật chất mà chúng ta chưa hề biết đến. Nhiều nhóm các nhà vật lý đã được thành lập
để tìm kiếm, phát hiện vật chất tối như: nhóm CDMS (Cryogenic Dark Matter ) của Đại học Stanford , California, Mỹ, nhóm
DAMA (Dark Matter Experiment) của Trung quốc – Ý và nhiều nhóm khác với những
thiết bị hiện đại thường nằm sâu dưới lòng đất để loại bỏ phông nhiễu loạn
ngoại lai.
Hiện nay người ta hình thành quan điểm sau. Vật chất tối gồm 2 thành phần .
Thành phần thứ nhất là thành phần baryonic ( như vật chất thông thường )
gọi là MACHO ( Massive Compact Halo Objects ) vì
người ta cho rằng quanh các thiên hà có một quầng (halo) vật chất tối, có thể
phát hiện được nhờ những hiệu ứng thấu
kính hấp dẫn đặc trưng. Trong MACHO có thể có những sao lùn nâu ( brown
dwarf ), những sao này không đủ lớn và nóng đến mức phát ra ánh sáng.
Thành phần thứ hai không phải là vật chất thông thường gồm những hạt mới lạ
(exotic) chưa tìm ra được: axion, WIMPs, hạt đối
xứng gương …
Axion là hạt giả định do nhà vật lý Peccei-Quinn đưa ra để giải thích hiện
tượng phá vỡ đối xứng CP. WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) là những
hạt suy ra từ siêu đối xứng tức đối xứng nối liền fermion và boson, hạt nhẹ
nhất trong các WIMPs là neutralino. Hạt đối xứng gương do Lee & Yang
đề xuất.
Một số tác giả muốn phủ nhận sự tồn tại của vật
chất tối, họ đưa ra cách tiếp cận sửa đổi định luật hấp dẫn của Newton
(MOND-Modified Newtonian Dynamics), hướng nghiên cứu này dường như có ít triển
vọng (có khó khăn với lý thuyết tương
đối của Einstein ).
Phát hiện vật chất tối là một trong những vấn đề cơ bản của vật
lý
thế kỷ 21.
Các thành phần năng lượng trong vũ trụ (hình 1)
Hình I Trong vũ trụ có năng lượng tối,vật chất tối
và vật chất thông thường xếp thứ tự theo chiều kim đồng hồ trên hình vẽ. Vật
chất có nhiều ở giai đoạn sơ sinh của vũ trụ. Trong quá trình giãn nở vật chất
loãng dần và năng lượng tối dần chiếm ưu
thế và quyết định số phận của vũ trụ.
Trong vũ trụ có 3 thành phần quan trọng : năng lượng tối ( dark energy ) gây lực đẩy,vật chất tối (
dark matter ) gây lực hút , vật chất thông thường ( các sao , các thiên hà, các
bức xạ ). Sự biến thiên của tỷ phần của năng lượng tối / vật chất tối / vật
chất thông thường theo thời gian được
trình bày ở Bảng 1.
Bảng 1
|
Thời điểm |
Năng lượng tối |
Vật chất tối |
Vật chất thông thường |
|
11,5 tỷ năm trước |
3,5 % |
80,4 % |
16,1 % |
|
7,5 tỷ năm trước |
22,6 % |
64,5% |
12,9% |
|
HIỆN
TẠI |
70 % |
25 % |
5 % |
|
11,5 tỷ năm sau |
95 % |
4,2% |
0,8 % |
|
24,5 tỷ năm sau |
99,3% |
0,6% |
0,1% |
Mô hình
MOND
Các quan trắc thiên văn cho thấy rằng các sao
chuyển động quanh tâm các thiên hà với một vận tốc gần như không thay đổi theo khoảng cách từ tâm các thiên hà; điều
này trái với các tính toán theo thuyết hấp dẫn Newton và trái với các quan trắc
trong Thái dương hệ (theo lý thuyết Newton vận tốc này phải giảm theo khoảng
cách từ tâm các thiên hà). Người ta nói rằng vận tốc trở nên “phẳng – flat” (xem hình 2). Đây là bài toán chuyển
động quay của thiên hà (galaxy rotation
problem). Bài toán này đã dẫn đến giả thuyết tồn tại vật chất tối (dark matter) thâm nhập vào các thiên hà
và trải rộng thành một quầng (halo)
chung quanh thiên hà (theo Fritz
Zwicky). Khi giả thiết rằng có những quầng vật chất tối trong và xung quanh các
cấu trúc thiên hà thì định luật quen thuộc 1/r2
của Newton được khôi phục.
Hình 2 . Đường cong biểu diễn vận tốc trên
quỹ đạo của một thiên hà xoắn ốc (spiral galaxy) tiêu biểu
Vật chất tối như trên đã nói
không quan sát trực tiếp được vì không tương tác với vật chất thông
thường. Để loại bỏ được vật chất tối
nhiều mô hình đã được đưa ra. Mô hình được nhiều người quan tâm là MOND ( Modified
Newton Dynamics - Động học Newton Sửa đổi), xây dựng năm 1983 bởi Mordehai Milgrom ( Weizmann Institute,
Israel) .
Dùng MOND có thể chứng minh được rằng v=
(GMa0 ) ¼,G-hằng số
hấp dẫn, như thế vận tổc trên quỹ đạo không còn phụ thuộc vào r phù hợp với các quan sát thiên văn đối
với vận tốc ở rìa những thiên hà.
Milgrom đã xác định được trị số a0
để MOND cho lại lý thuyết hấp dẫn
Song mô hình MOND chỉ đúng trong phạm vi thiên hà còn trong kích thước của
các cluster thiên hà thì MOND không đúng nữa .
MOND và DM
Nếu MOND và DM liên quan với nhau thì cần tìm một mô hình đúng cho mọi kích
thước của vũ trụ.Người ta nghĩ đến ý tưởng không thời gian là một chất lỏng
(fluid).Nếu là chất lỏng thì đó là chất lỏng gì?
Hai tác giả Lasha Berezhiani and
Justin Khoury đưa ra lý thuyết DM là
chất lỏng siêu chảy -Theory of Dark Matter Superfluidity [1] .
Như chúng ta biết chất lỏng siêu
chảy có 2 thành phần (Landau) :thành phần siêu chảy và thành phần normal không
siêu chảy.
Ở kích thước thiên hà thì DM có thành phần chính yếu là thành phần siêu chảy với độ dài liên kết ( coherence length ) bằng kích thước thiên hà
còn ở kích thước các cụm (cluster) thiên hà (ở đây nhiệt độ cao hơn) thì DM
có thành phần chính yếu là thành phần normal [2].
Hình 3.Mô hình MOND
chỉ đúng với các thiên hà riêng lẻ.Ở kích thước lớn hơn MOND không còn đúng.Để
thống nhất lý thuyêt ở mọi kích thước cần có lý thuyết siêu chảy với 2 thành
phần
Hai tác giả đưa ra tiên đề (postulate)
rằng DM phonon được mô tả bởi hàm tác động ( action) phi tương đối MOND
Và như thế phonon siêu chảy
tương tác với vật chất baryon và tạo nên một lực tựa MOND.
.
Vậy các hạt trong thiên hà
chịu 2 tác động: lực
Chú ý DM siêu chảy có nhiệt
độ và phương trình trạng thái giống như hệ nguyên tử lạnh do đó mở khả năng nghiên cứu thiên hà trong phòng thí
nghiệm.
Truy tìm siêu chảy trong vũ trụ
Bước tiếp theo của hai tác
giả là truy tìm dấu vết siêu chảy trong vũ trụ. Hai tác giả lưu ý rằng chất
lỏng siêu chảy khi quay thì phát sinh những tâm cuộn xoáy (vortex). Những quầng
halo DM siêu chảy trong vũ trụ khi quay phải để lại những vortex mà chúng ta có
thể quan sát được. [2]
Hình 4. Các tâm cuộn xoáy (vortex) trong
siêu chảy
Kết luận
Hiên nay lý thuyết DM siêu
chảy là lý thuyết hợp lý nhất để mô tả DM trong vũ trụ ở mọi kích thước (thiên
hà và cụm thiên hà).
Tài liệu tham khảo
[1] Lasha Berezhiani and
Justin Khoury ,Theory of Dark Matter
Superfluidity
arXiv:1507.01019v2 [astro-ph.CO] 23 Mar 2016
[2] Jennifer
Ouellette
Dark Matter Recipe Calls for One
Part Superfluid
https://www.quantamagazine.org/dark-matter-recipe-calls-for-one-part-superfluid-20170613/
Nhận xét
Đăng nhận xét