Tín Hiệu Bất Thường Dưới Lòng Đất Và Cuộc Săn Tìm Hạt Higgsino Trong Vũ Trụ

Sâu bên trong lòng đất tại bang South Dakota, một cú va chạm nguyên tử bất thường đã kích hoạt làn sóng tranh luận sôi nổi trong cộng đồng vật lý thế giới. Máy dò LUX-ZEPLIN (LZ) ghi nhận một tín hiệu giật lùi hạt nhân mang năng lượng cao bất thường, nhưng lại hoàn toàn vắng bóng các sự kiện năng lượng thấp vốn được dự đoán trước đó. Hiện tượng này mở ra hy vọng về việc lần đầu tiên nhận diện trực tiếp vật chất tối — thứ vật chất vô hình đang bao phủ khắp vũ trụ và chỉ để lộ sự tồn tại qua lực hấp dẫn đối với các thiên hà. Ngay sau công bố, hàng loạt giả thuyết đã được đưa ra, trong đó ứng viên sáng giá nhất được chú ý là hạt higgsino, một hạt lý thuyết xuất phát từ mô hình siêu đối xứng. [1]

Vết bọt trong bình xenon và tín hiệu lệch chuẩn

Máy dò LZ được đặt tại Cơ sở Nghiên cứu Ngầm Sanford ở thành phố Lead, bang South Dakota. Thiết bị này hoạt động dựa trên một bể chứa xenon lỏng khổng lồ nhằm tìm kiếm những hạt vật chất tối di chuyển xuyên qua khối xenon và va chạm với các hạt nhân nguyên tử. Do vật chất tối tương tác cực kỳ yếu với vật chất thông thường, một cú va chạm như vậy được kỳ vọng là một sự kiện vô cùng hiếm hoi. [1]

Khi sự kiện tại LZ diễn ra, hạt nhân xenon đã giật lùi với một mức năng lượng đặc biệt cao. Theo các mô hình vật lý thông thường, phần lớn các loại vật chất tối khi va chạm sẽ tạo ra cả những cú giật lùi năng lượng thấp lẫn năng lượng cao. Tuy nhiên, các nhà khoa học làm việc tại dự án LZ đã không ghi nhận bất kỳ sự kiện năng lượng thấp nào kèm theo. Sự bất thường này lập tức thu hút sự chú ý của giới nghiên cứu lý thuyết, dẫn đến sự ra đời của hàng loạt bài báo nghiên cứu được đăng tải trên cổng thông tin arXiv nhằm giải mã bản chất của tín hiệu. [1]

Giả thuyết siêu đối xứng và hạt higgsino

Ý tưởng về siêu đối xứng (supersymmetry) từng là một trong những lý thuyết được yêu thích nhất trong vật lý hạt, dù mức độ phổ biến của nó có phần suy giảm trong những năm gần đây do các máy gia tốc hạt không tìm thấy bằng chứng thực nghiệm. Lý thuyết này giả định rằng mỗi hạt đã biết trong tự nhiên đều có một hạt đối xứng mang khối lượng nặng hơn. Trong số các hạt giả định đó, higgsino — hạt đối xứng của hạt Higgs boson được phát hiện vào năm 2012 — được coi là ứng viên hàng đầu cho vật chất tối ngay từ những năm 2000. [1]

Điểm đặc biệt khiến higgsino trở thành lời giải phù hợp cho tín hiệu tại LZ nằm ở đặc tính khối lượng của nó. Khác với các ứng viên vật chất tối thông thường, higgsino tồn tại ở hai trạng thái khối lượng khác nhau. Một cú va chạm giữa higgsino và hạt nhân nguyên tử xenon chỉ có thể xảy ra khi có đủ năng lượng để đẩy hạt này từ trạng thái khối lượng nhẹ sang trạng thái khối lượng nặng hơn. Chính cơ chế ngưỡng năng lượng này giải thích tại sao máy dò LZ lại hoàn toàn không ghi nhận các cú giật lùi ở mức năng lượng thấp. [1]

Những mâu thuẫn từ dữ liệu thực nghiệm

Mặc dù giả thuyết higgsino khớp với hiện tượng vắng bóng năng lượng thấp, nó lại nhanh chóng vấp phải những rào cản từ các dữ liệu quan sát khác. Nếu các hạt higgsino tồn tại trong vũ trụ, chúng sẽ bị lực hấp dẫn của Mặt Trời thu hút và tích tụ tại tâm Mặt Trời. Tại đó, theo lý thuyết siêu đối xứng, chúng sẽ tự hủy lẫn nhau và giải phóng ra các hạt neutrino năng lượng cao. Các hạt neutrino này theo lý thuyết sẽ bị phát hiện bởi máy dò kính thiên văn neutrino IceCube đặt tại Nam Cực. Tuy nhiên, dữ liệu từ IceCube lại không ghi nhận bất kỳ tín hiệu neutrino nào như vậy. [1]

Bên cạnh đó, một điểm nghi vấn khác xuất hiện khi các nhà vật lý phân tích phần phụ lục trong báo cáo của dự án LZ. Nếu tín hiệu thu được ở mức năng lượng hiện tại là do higgsino tạo ra, máy dò đáng lẽ phải ghi nhận thêm nhiều sự kiện hơn nữa ở các mức năng lượng cao hơn. Tuy nhiên, LZ lại không báo cáo bất kỳ tín hiệu nào tương tự ở dải năng lượng đó. Dù đại diện dự án LZ, nhà vật lý Rick Gaitskell từ Đại học Brown, giải thích rằng máy dò chưa được hiệu chuẩn cho dải năng lượng cao đó nên không đưa ra tuyên bố chính thức, điều này vẫn tạo ra sự bất định lớn cho giả thuyết higgsino. [1]

Các điều chỉnh lý thuyết và kịch bản thay thế

Để cứu vãn giả thuyết higgsino, một số nhà vật lý lý thuyết đã đề xuất điều chỉnh các thông số ban đầu. Theo tính toán thông thường, khối lượng của higgsino được giả định gấp khoảng 1.000 lần khối lượng của một proton nhằm giải thích toàn bộ lượng vật chất tối hiện có trong vũ trụ. Nhà vật lý Katherine Freese cùng đồng sự đã đưa ra kịch bản trong đó higgsino có khối lượng gấp khoảng 2.000 lần proton, kết hợp với giả định hạt di chuyển với vận tốc cao hơn trong Dải Ngân Hà. Mức chênh lệch khối lượng lớn hơn giữa hai trạng thái của higgsino sẽ làm giảm tần suất tạo ra neutrino ở Mặt Trời, giải thích vì sao kính thiên văn IceCube không quan sát thấy chúng. [1]

Ngược lại, nếu tín hiệu không xuất phát từ higgsino, các nhà khoa học cũng tính đến những hạt vật chất tối thuộc các mô hình lý thuyết khác. Nhà vật lý Dan Hooper và các cộng sự đã nghiên cứu khả năng tồn tại của những hạt có đặc tính khối lượng hai mức tương tự nhưng không bị ràng buộc bởi lý thuyết siêu đối xứng, do đó không nhất thiết tạo ra neutrino tại Mặt Trời. Một giả thuyết khác do nhóm của ông đưa ra còn kết hợp việc giải thích tín hiệu LZ với hiện tượng tia gamma bất thường phát ra từ tâm Dải Ngân Hà. Ngoài ra, các hạt như photon tối cũng đang được đưa vào tầm ngắm. [1]

Cuộc kiểm tra chéo và kỳ vọng tương lai

Sự việc thu hút sự chú ý đến mức máy dò XENONnT đặt tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Gran Sasso ở Ý đã bắt tay vào rà soát lại dữ liệu hiện có để tìm kiếm các sự kiện năng lượng cao tương tự. Đại diện dự án XENONnT, nhà vật lý Elena Aprile từ Đại học Columbia, khẳng định kết quả từ LZ đòi hỏi một sự kiểm tra chéo độc lập từ các thí nghiệm khác. Dù tín hiệu tại LZ có thể thực sự là dấu vết của vật chất tối hoặc chỉ là một nhiễu ngẫu nhiên từ các quá trình vật lý đã biết, quá trình tìm kiếm này đang tạo ra động lực mới cho ngành vật lý hạt. [1]