Khoảng 80% vật chất trong vũ trụ là chất chưa được khám phá gọi là "vật chất tối". Mặc dù sự tồn tại của nó đã được lý thuyết hóa trong khoảng 90 năm, nhưng các nhà khoa học thuộc nhóm hợp tác JEDI đang sử dụng công nghệ máy gia tốc hạt tiên tiến để phát triển những phương pháp mới nhằm phát hiện ra nó, mặc dù bằng chứng thuyết phục vẫn khó nắm bắt.

Khoảng 80% vật chất trong vũ trụ là chất chưa được khám phá gọi là "vật chất tối". Trong khi sự tồn tại của vật chất tối đã được lý thuyết hóa trong khoảng 90 năm, các nhà khoa học thuộc nhóm hợp tác JEDI, sử dụng công nghệ máy gia tốc hạt tiên tiến, đang phát triển những cách mới để phát hiện nó, mặc dù bằng chứng thuyết phục vẫn khó nắm bắt.

Jörg Pretz, one of the co-authors of the study, explains: "This is the only way to reconcile the velocity distribution of visible matter within galaxies with the current knowledge that a previously unobserved form of 'dark' matter must additionally stabilize the galaxy". Ông còn là phó giám đốc Viện Vật lý Hạt nhân tại Trung tâm Nghiên cứu Urich và là giáo sư tại Đại học RWTH Aachen

Các nhà vật lý đã tìm kiếm chất này từ những năm 1930. Trong cộng đồng khoa học không thiếu các lý thuyết, nhưng vẫn chưa có ai phát hiện thành công vật chất tối. Tiến sĩ Volker Hejny cho biết: “Điều này là do bản chất của vật chất tối vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng”.

Tiến sĩ Hejny, cũng đến từ Viện Vật lý hạt nhân Jülich, giống như đồng nghiệp Jörg Pretz của ông, một thành viên của nhóm hợp tác quốc tế JEDI đã thực hiện thí nghiệm. JEDI là tên viết tắt của Điều tra lưỡng cực điện Jülich. Các nhà khoa học tham gia hợp tác đã nghiên cứu đo mômen lưỡng cực điện của các hạt tích điện từ năm 2011.

"Vật chất tối là vô hình và cho đến nay chỉ biểu hiện gián tiếp thông qua lực hấp dẫn của nó. Ảnh hưởng của nó tương đối nhỏ, đó là lý do tại sao chỉ trong những trường hợp cực lớn - chẳng hạn như toàn bộ thiên hà - vật chất tối mới thực sự trở nên rõ ràng."

Các nhà vật lý lý thuyết đã đề xuất một số hạt cơ bản giả thuyết mà vật chất tối có thể được cấu tạo từ đó. Tùy thuộc vào đặc tính của các hạt này, có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để phát hiện chúng - những phương pháp không yêu cầu phát hiện hiệu ứng hấp dẫn ở mức độ phức tạp cao. Những phương pháp này bao gồm các trục và các hạt giống trục.

Trong thí nghiệm của mình, các nhà khoa học JEDI đã tận dụng một tính năng đặc biệt của máy gia tốc hạt Jülich COZY: sử dụng chùm tia phân cực. Nguồn hình ảnh: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach

"Axion ban đầu được phát triển để giải quyết một vấn đề trong lý thuyết tương tác mạnh của sắc động lực học lượng tử," Pretz giải thích. “Cái tên axion bắt nguồn từ người đoạt giải Nobel Frank Wilczek và dùng để chỉ một nhãn hiệu chất tẩy rửa: hạt tồn tại để 'làm sạch' lý thuyết vật lý, có thể nói như vậy."

Để phát hiện các trục, các nhà khoa học trong nhóm hợp tác JEDI đã khai thác spin của hạt. Hejny giải thích: “Spin là một tính chất độc đáo của cơ học lượng tử khiến các hạt hoạt động giống như những thanh nam châm nhỏ”. "Ví dụ, chụp cộng hưởng từ (MRI) trong hình ảnh y tế tận dụng đặc tính này. Là một phần của quá trình này, spin của hạt nhân nguyên tử bị kích thích bởi một từ trường mạnh bên ngoài."

Công nghệ chụp ảnh cộng hưởng từ cũng được sử dụng để tìm kiếm vật chất tối. Trong máy MRI thông thường, các nguyên tử đứng yên, trong khi ở máy gia tốc, các hạt chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Điều này làm cho việc kiểm tra ở một số khu vực nhất định trở nên nhạy cảm hơn và các phép đo chính xác hơn.

Trong các thí nghiệm của mình, các nhà khoa học JEDI đã tận dụng một tính năng đặc biệt của máy gia tốc hạt Jülich COSY, đó là sử dụng các chùm tia phân cực. Pretz cho biết: “Trong chùm hạt thông thường, hướng quay của các hạt là ngẫu nhiên. “Trong chùm hạt phân cực, các spin được sắp xếp theo một hướng.” Chỉ có một số máy gia tốc trên thế giới có khả năng này. "

Nếu, như các nhà khoa học nghi ngờ, có một trường nền của các axion xung quanh chúng ta, thì điều này sẽ ảnh hưởng đến chuyển động của các spin - và do đó cuối cùng có thể được phát hiện bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, hiệu ứng mong đợi là tối thiểu. Các phép đo vẫn chưa đủ chính xác. Tuy nhiên, trong khi thí nghiệm JEDI chưa tìm thấy bằng chứng về các hạt vật chất tối, các nhà nghiên cứu đã cố gắng thu hẹp hơn nữa các hiệu ứng tương tác có thể có và, có lẽ quan trọng hơn, họ đã có thể thiết lập một nghiên cứu mới và phương pháp đầy hứa hẹn trong việc tìm kiếm vật chất tối

.