Các nhà vật lý đã đề xuất một lý thuyết về nguồn gốc của vật chất tối từ quả bóng Fermi

Các nhà vật lý đã đề xuất một lý thuyết về nguồn gốc của vật chất tối từ quả bóng Fermi
Các nhà vật lý đã đề xuất một lý thuyết về nguồn gốc của vật chất tối từ quả bóng Fermi
Anonim

Theo lý thuyết mới, do các nhà vật lý lý thuyết Hàn Quốc đề xuất, vật chất tối được sinh ra từ các quả bóng Fermi, "túi" lượng tử của các hạt hạ nguyên tử được đóng gói trong "túi" dày đặc trong buổi bình minh của vũ trụ. Lý thuyết này tuyên bố giải thích thực tế tại sao vật chất tối bắt đầu chiếm ưu thế trong Vũ trụ so với vật chất thông thường, có thể nhìn thấy được.

Các nhà vật lý lý thuyết tại Trung tâm Vật lý Lý thuyết tại Đại học Quốc gia Seoul, Hàn Quốc đã cho rằng vật chất tối bí ẩn và khó nắm bắt có thể được cấu tạo bởi cái gọi là quả bóng Fermi còn sót lại từ Vụ nổ lớn. Họ đã xuất bản bài báo của mình trên trang web in sẵn điện tử arXiv.org.

Quả cầu Fermi là vật thể vũ trụ giả thuyết có thể xuất hiện trong các điều kiện của Vũ trụ sớm nhất do sự phá vỡ đối xứng tự phát và sự chuyển pha sau đó. Không nên nhầm chúng với bong bóng Fermi, cấu trúc khổng lồ trong Dải Ngân hà được đặt tên theo kính viễn vọng tia gamma Fermi và được hình thành do hoạt động của lỗ đen siêu lớn trung tâm.

Vật chất tối là một chất bí ẩn chỉ tương tác với vật chất thông thường thông qua lực hấp dẫn và không tương tác với ánh sáng. Đã từng có thời gian, các giả thuyết đã được đưa ra theo đó vật chất tối có thể bao gồm các lỗ đen cực nhỏ xuyên qua Vũ trụ, nhưng các ước tính số đã loại trừ khả năng như vậy: số lượng các lỗ đen như vậy, cũng như các lỗ đen có khối lượng sao là quá nhỏ để hội tụ "ngân sách của Vũ trụ", được biết đến từ các dữ liệu thí nghiệm khác nhau (từ đài quan sát không gian Planck, từ các quan sát về siêu tân tinh, v.v.): chỉ nên có 5% vật chất thông thường (baryonic), 27% vật chất tối vật chất và 68% năng lượng tối. Trong toàn bộ lịch sử của Vũ trụ, không có quá nhiều ngôi sao được hình thành mà sau khi chết, chúng đã tạo ra một số lượng lỗ đen đủ lớn, khối lượng của chúng sẽ giải thích cho toàn bộ lượng vật chất tối hiện có. Hiện tại, lý thuyết về vật chất tối lạnh được coi là tiêu chuẩn, và các ứng cử viên có khả năng nhất cho vai trò của các hạt cấu thành của nó là các WIMP chưa được phát hiện - các hạt khối lượng tương tác yếu.

Theo lý thuyết mới, các lỗ đen được tìm kiếm có thể đã từng phát sinh từ các quả cầu Fermi hoặc các "túi" lượng tử của các hạt hạ nguyên tử - fermion - trộn lẫn trong các "túi" dày đặc trong thời kỳ khởi nguyên của Vũ trụ. Lý thuyết này tuyên bố giải thích thực tế tại sao vật chất tối bắt đầu chiếm ưu thế trong Vũ trụ so với vật chất thông thường, có thể nhìn thấy được.

Một nhà nghiên cứu tại Trung tâm cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng trong một số trường hợp, các quả bóng Fermi có thể bị nén chặt đến mức các fermion trong chúng quá gần nhau, điều này khiến quả bóng Fermi bị sụp đổ và biến nó thành một lỗ đen”, một nhà nghiên cứu tại Trung tâm cho biết. Vật lý lý thuyết tại Đại học Ke-Pan Se Quốc gia Seoul trong một cuộc phỏng vấn với Live Science.

Xie và đồng nghiệp Kiyoharu Kavanagh của cùng một Trung tâm Vật lý Lý thuyết đã phát triển một kịch bản giải thích cách vật chất tối bắt đầu thống trị không gian. Vào thời điểm khi Vũ trụ chỉ còn chưa đầy một giây, những sự biến đổi đáng kinh ngạc của các quy luật vật lý đang diễn ra trong đó. Các hạt rơi vào bẫy, liên kết với nhau thành các cấu trúc nhỏ gọn đến mức chúng chỉ có thể sụp đổ và biến thành các lỗ đen. Sau đó, những lỗ đen này lấp đầy toàn bộ Vũ trụ, cung cấp cùng một “ngân sách” được thiết lập bằng các phương pháp thực nghiệm - sự thống trị rõ ràng của hai thành phần chưa thể phát hiện khác so với vật chất baryonic thông thường.

Các lỗ đen, giống như vật chất tối, không phát ra ánh sáng, vì vậy về nguyên tắc, chúng có thể trở thành một nguồn khối ẩn. Xie nói: “Vì lỗ đen là vật thể không phát sáng và nhỏ gọn, nên các ứng cử viên vật chất tối của chúng nên được xem xét theo cách tự nhiên nhất.

Các điều kiện khắc nghiệt tồn tại trong Vũ trụ sớm nhất cho phép thay đổi các quá trình vật lý vốn đã không thể xảy ra trong điều kiện bình thường của không gian hiện đại. Thành phần đầu tiên trong lý thuyết mới là trường vô hướng, giống như trường Higgs, xuyên qua mọi không gian và tạo cho các hạt khối lượng của chúng. Khi vũ trụ giãn nở và nguội đi, trường vô hướng này trải qua quá trình chuyển pha, chuyển sang trạng thái cơ lượng tử khác. Sự chuyển pha này không đồng thời ảnh hưởng đến toàn bộ Vũ trụ cùng một lúc. Ban đầu, chỉ có các khu vực riêng biệt xuất hiện, trong đó quá trình chuyển đổi đã bắt đầu, và sau đó tất cả lan rộng hơn nữa, giống như cách nước sôi trong một cái chảo, tạo thành các bong bóng ngày càng lớn. “Quá trình này được gọi là quá trình chuyển pha bậc một: nước chuyển từ pha lỏng sang trạng thái khí, nhưng ban đầu khí chỉ xuất hiện ở dạng bong bóng đang lớn dần,” Ce giải thích.

Trạng thái mới của trường vô hướng, bây giờ trở thành trạng thái cơ bản, lan truyền từ những điểm này giống như một dòng bong bóng sôi. Cuối cùng, các bong bóng hoàn toàn hợp nhất với nhau và trường vô hướng hoàn thành quá trình chuyển pha của nó.

Tuy nhiên, để tạo ra các lỗ đen nguyên thủy, là vật chất tối, Xie và Kavanagh cần một thành phần khác. Họ đã thêm một loại fermion mới vào mô hình của họ. Fermions là các hạt có spin bán nguyên, bao gồm các electron, proton và neutron tạo nên tất cả các nguyên tử thông thường.

Trong vũ trụ rất sơ khai, các fermion này di chuyển tự do trong trường vô hướng, nhưng chúng không thể xuyên qua các "bong bóng" tạo bọt nhỏ của trạng thái cơ bản mới của vũ trụ trong quá trình chuyển pha được mô tả ở trên. Khi bong bóng lớn lên, các fermion tích tụ trong các túi còn lại, trở thành các quả bóng Fermi. Tuy nhiên, có một lực bổ sung tác động giữa các fermion này, được gọi là tương tác Yukawa, gây ra bởi cùng một trường vô hướng do các nhà lý thuyết Hàn Quốc đề xuất trong bài báo của họ. Các fermion thường tránh rơi vào cùng một trạng thái lượng tử và thành các thể tích nhỏ, nhưng trường vô hướng đã thêm vào chúng lực tương tác triệt tiêu lực đẩy tự nhiên này. Giả sử proton và neutron được tạo ra từ các hạt thậm chí còn nhỏ hơn gọi là quark. Các hạt quark cũng là các fermion, tránh rơi vào trạng thái giống nhau, nhưng lực hạt nhân bổ sung (tương tác mạnh) sẽ dính chúng lại với nhau. Tương tự của một lực như vậy là tương tác Yukawa hoạt động trong mô hình Se và Kavanagh.

Theo lý thuyết của Hàn Quốc, một khi chuyển pha xong, số phận của những quả bóng Fermi đã bị phong tỏa. Bị ép vào những "túi" nhỏ của Vũ trụ đang thay đổi nhanh chóng, các chùm fermion sụp đổ một cách thảm khốc, tạo thành một số lượng khổng lồ các lỗ đen nhỏ. Những lỗ đen này đã sống sót sau khi kết thúc quá trình chuyển pha và lấp đầy Vũ trụ dưới dạng vật chất tối.

Đề xuất: