TiaSang
Chủ nhật, Ngày 29 tháng 11 năm 2020
Đổi mới sáng tạo

Phép đo lường chính xác trên vật chất tối

30/10/2020 08:37 -

Các đồng hồ quang học có độ chính xác có thể đem đến một ước tính 20 tỉ năm - dài hơn cả tuổi vũ trụ - để giảm hoặc tăng thêm một giây. Hiện tại, các nhà nghiên cứu Mỹ do nhóm nghiên cứu của Jun Ye tại Viện Tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia Mỹ và trường đại học Colorado dẫn dắt đã khám phá ra độ chính xác của đồng hồ quang học và sự ổn định chưa từng thấy của hốc silicon ở dạng tinh thể để tăng cường những ràng buộc trên bất kỳ khả năng ghép nối nào giữa các hạt và các trường trong mô hình chuẩn của vật lý và cả các thành phần riêng biệt của vật chất tối.

Nhà nghiên cứu Jun Ye tại Viện Tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia Mỹ và trường đại học Colorado là tác giả chính. Nguồn: ĐH Colorado

Ye và cộng sự đã sử dụng đồng hồ quang học của họ để tìm kiếm bất kỳ các biến thiên nào trong hằng số cơ bản α, hằng số cấu trúc tinh tế, vốn để xác định mức độ của những tương tác giữa các hạt mang điện tích và các photon. Ở phần kết thúc, họ so sánh tần số các nguyên tử strontium sử dụng trong đồng hồ quang học với hốc silicon ở dạng tinh thể, một thiết bị sử dụng chùm tia laser cho phép các sóng điện từ liên kết giữa các bề mặt phản chiếu đối lập và tạo ra một sóng đứng với tần số có đặc điểm được xác định bằng độ dài của hốc. Tần số của cả hai thiết bị được tinh chỉnh trong cả hằng số α và me (một hằng số cơ bản khác liên quan đến khối lượng của electron) nhưng với những phụ thuộc khác nhau, vì vậy tỉ lệ giữa hai tần số sẽ tiết lộ các biến thiên trong hằng số α.

“Mọi người sử dụng đồng hồ nguyên tử tại các tần số vi sóng để hạn chế giới hạn của cường độ liên kết trong vật chất tối nhưng công trinhg này có thể tái hiện những kết quả đầu tiên qua việc sử dụng các đồng hồ quang học để đem lại các hạn chế của tín hiệu dao động của vật chất tối”, Ye giải thích.

Cũng so sánh tần số hốc với các nguyên tử của đồng hồ, các nhà nghiên cứu so sánh nó với tần số của maze hydro – một tiêu chuẩn tần số vi sóng tạo ra bức xạ trên cơ sở những chuyển pha giữa các trạng thái spin hạt nhân và điện tử khác nhau trong nguyên tử hydro. Dẫu maze hydro không có khả năng đem lại mức giữ thời gian chính xác như đồng hồ quang học strontium, các chuyển pha năng lượng này là cơ sở dẫn đến mối quan hệ khác nhau giữa tần số và hằng số α và me, như tỉ lệ của tần số với hốc silicon ở dạng tinh thể đem lại một thí nghiệm cho các biến thiên trong giá trị của me. Trong khi các dao động trong giá trị của α có thể chỉ dấu những tương tác giữa vật chất tối và các điện từ trường, các dao động trong me có thể tiết lộ những tương tác với khối lượng electron.

Các tỉ lệ tần số được đo đạc giữa hốc và cả đồng hồ quang học với maze hydro đã góp phần đem lại một tiên tiến công nghệ cốt lõi – độ bền vững của hốc silicon tinh thể. “Phần lớn các hốc được làm bằng kính, vốn là chất rắn vô định hình và hỗn độn, nên có khuynh hướng nhiều chiều và không bền”, Colin Kennedy, một nhà nghiên cứu trong nhóm của Ye và là tác giả thứ nhất của công trình nghiên cứu, giải thích và nhấn mạnh đến sự tiên tiến của việc sử dụng hốc được làm từ một đơn tinh thể silicon. “Các hốc thế hệ mới này được làm từ đơn tinh thể silicon và có khả năng giữ được các nhiệt độ cryo, khiến cho trật tự về  độ lớn của chúng trở nên ổn định hơn. Đây chính là điểm quan trọng nhất của công trình mà chúng tôi thực hiện”.

Tiến gần tới vật chất tối

Dù các nhà nghiên cứu chưa quan sát được các dao dộng trong những hằng số cơ bản do các tương tác với vật chất tối tạo ra, dữ liệu của họ đã làm thu hẹp lại phạm vi các giá trị có thể của các tham số trong tương tác có thể có. Bởi khi cường độ có thể của các tương tác vật chất tối được tinh chỉnh bằng α thì các hạt vật chất tối với những khối lượng trong phạm vi từ 4.5 × 10−16 đến 1 × 10−19 eV khi được tinh chỉnh bằng me thì phạm vi khối lượng của nó ở giữa 2 × 10−19 và 2 × 10−21 eV.

“Ý tưởng sử dụng tần số cộng hưởng hốc quang học để so sánh với tần số nguyên tử được nêu ra lần đầu trong một trao đổi qua email giữa tôi và giáo sư Victor Flambaum”, Ye nói với phys.org khi lể lại những trao đổi giữa họ trong năm 2015. Trong khi Flambaum nhanh chóng viết ngay một bài “Optical clock sensitive to variations of the fine-structure constant based on the Ho14+ ion” trên Physics Review A miêu tả những ý tưởng cơ bản mà họ đã thảo luận thì Ye cho biết anh “muốn thấy các kết quả thực nghiệm nữa. Và bây giờ chúng tôi đã có”, đó là công trình “Precision metrology meets cosmology: Improved constraints on ultralight dark matter from atom-cavity frequency comparisons” trên tạp chí Physical Review Letters.

Thanh Phương dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-10-precision-metrology-dark.html

Tags: