Bí ẩn vật chất tối: “Thế giới gương” và rìa vũ trụ có thể là chìa khóa giải mã

Hai nghiên cứu mới của Giáo sư Stefano Profumo, Đại học California (Santa Cruz), đã đưa ra những giả thuyết chưa từng được nêu ra về cách vật chất tối có thể được hình thành. Vật chất tối hiện là một trong những bí ẩn lớn nhất của khoa học: chiếm khoảng 80% tổng lượng vật chất trong vũ trụ, giữ cho các thiên hà không bị tan rã và ảnh hưởng trực tiếp đến cách chúng quay. Các quan sát về cấu trúc vũ trụ quy mô lớn cũng như bức xạ nền vi sóng vũ trụ đều cho thấy sự tồn tại của nó. Nhưng đến nay, giới khoa học vẫn chưa biết vật chất tối là hạt gì và xuất hiện bằng cách nào.

“Thế giới gương” và hạt baryon tối

Trong bài báo công bố ngày 8/7, Giáo sư Profumo tập trung vào khái niệm “khu vực ẩn” (hidden sector) – một dạng “phiên bản gương” của vũ trụ chúng ta, với các hạt và lực riêng, tuân theo những quy luật vật lý tương tự nhưng hoàn toàn vô hình đối với con người. Ý tưởng này dựa trên sắc động lực học lượng tử (QCD) – lý thuyết giải thích cách các quark liên kết thành proton và neutron nhờ lực hạt nhân mạnh.
Trong khu vực ẩn, có thể tồn tại một “QCD tối” với quark tối và gluon tối, tạo nên những hạt nặng gọi là baryon tối.

Mô hình lý thuyết cho thấy: trong một số điều kiện (tỷ lệ khối lượng quark, nhiệt độ của khu vực tối, số màu N…), các baryon tối có thể sụp đổ thành lỗ đen siêu nhẹ, khối lượng chỉ vài trăm lần khối lượng Planck. Nếu các tàn dư này ổn định, chúng có thể đóng vai trò là ứng viên cho vật chất tối. Nghiên cứu cũng đưa ra giới hạn N ≤ 100 cho những kịch bản mà các hạt này chiếm toàn bộ vật chất tối.

Vật chất tối từ “chân trời vũ trụ”

Trong một bài nghiên cứu khác công bố hồi tháng 5, Profumo đặt câu hỏi: liệu vật chất tối có thể hình thành ngay ở rìa vũ trụ – tức “chân trời vũ trụ” – trong giai đoạn giãn nở tăng tốc ngắn sau thời kỳ lạm phát hay không?

Theo mô hình này, quá trình giãn nở tuy không cực đoan như lạm phát nhưng vẫn nhanh hơn so với bức xạ hay vật chất thông thường có thể gây ra. Khi đó, chân trời vũ trụ có nhiệt độ tỷ lệ nghịch với kích thước của nó, tạo điều kiện cho sự hình thành các hạt ổn định. Tùy thuộc vào phương trình trạng thái (giữa áp suất và mật độ năng lượng) và nhiệt độ ở thời điểm giai đoạn này kết thúc, khối lượng vật chất tối sinh ra có thể dao động từ 10 keV cho đến gần mức Planck.

“Cả hai cơ chế đều rất mang tính suy đoán, nhưng chúng mở ra các kịch bản tính toán khép kín, không phụ thuộc vào mô hình hạt vật chất tối truyền thống – vốn ngày càng gặp bế tắc trước những kết quả thí nghiệm không khả quan,” Giáo sư Profumo chia sẻ.