Nghiên cứu mới tập trung vào neutrino thuận tay phải, một loại hạt giả định có thể nặng hơn rất nhiều so với neutrino thông thường. Theo các nhà nghiên cứu, hạt này có thể từng chiếm ưu thế về năng lượng trong vũ trụ sơ khai, làm thay đổi tốc độ giãn nở của không gian và trì hoãn những tương tác hạt quan trọng. Những thay đổi đó có thể giúp giải thích sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất, yếu tố cần thiết để vũ trụ hình thành như ngày nay.
Hạt neutrino có thể đã chi phối năng lượng của vũ trụ sau Vụ nổ lớn, cho phép vật chất phát triển mạnh hơn phản vật chất. (Ảnh: Getty Images)
Nghiên cứu do nhà vật lý lý thuyết Rishav Roshan tại Đại học Southampton (Anh), cùng Sudipta Show thuộc Viện Công nghệ Kanpur (Ấn Độ), thực hiện.
Neutrino thuận tay phải là gì?
Neutrino thường được gọi là những hạt ma vì chúng rất ít tương tác với vật chất. Một neutrino điển hình từ Mặt Trời có thể xuyên qua một lớp chì dày khoảng 1 năm ánh sáng, tương đương 9,5 nghìn tỷ km, trước khi có khả năng va chạm với một nguyên tử.
Neutrino tồn tại dưới ba dạng, còn gọi là ba hương vị và có thể chuyển đổi giữa các dạng khi di chuyển. Hiện tượng này cho thấy neutrino có khối lượng, dù rất nhỏ. Điều đó từng đặt ra câu hỏi đối với mô hình chuẩn, khuôn khổ lý thuyết mô tả các hạt cơ bản và những tương tác của chúng, bởi phiên bản ban đầu của mô hình này dự đoán neutrino không có khối lượng.
Một trong những hướng giải thích được các nhà vật lý đề xuất là sự tồn tại của neutrino thuận tay phải.
Trong vật lý hạt, khái niệm "tay trái" và "tay phải" mô tả mối quan hệ giữa chiều spin của hạt và hướng chuyển động của nó. Các neutrino đã được phát hiện cho đến nay đều thuộc loại có tính chiral trái trong những tương tác yếu mà chúng tham gia. Neutrino thuận tay phải, ngược lại, vẫn là hạt giả định và chưa được quan sát trực tiếp.
Theo Roshan, loại hạt này không tham gia tương tác hạt nhân yếu theo cách giống neutrino thông thường. Chúng được giả định là không mang điện tích và có khối lượng lớn hơn nhiều.
Nếu tồn tại, neutrino thuận tay phải có thể trộn lẫn với neutrino thông thường, giúp giải thích vì sao neutrino có khối lượng rất nhỏ và vì sao chúng có thể chuyển đổi giữa các hương vị.
Cơ chế bập bênh và bí ẩn vật chất – phản vật chất
Một khuôn khổ lý thuyết được gọi là cơ chế bập bênh có thể giải thích sự chênh lệch khối lượng giữa hai loại neutrino. Theo cơ chế này, neutrino thông thường có thể mang một phần rất nhỏ đặc tính của đối tác thuận tay phải nặng hơn. Đối tác càng nặng, phần đóng góp vào khối lượng của neutrino thông thường càng nhỏ.
Tên gọi "bập bênh" xuất phát từ mối quan hệ ngược chiều này: khối lượng của neutrino thông thường giảm khi khối lượng của hạt đối tác tăng.
Các hạt neutrino thuận tay phải còn được nghiên cứu như một lời giải tiềm năng cho những câu hỏi lớn khác của vật lý, trong đó có nguồn gốc của vật chất tối và sự mất cân bằng giữa vật chất với phản vật chất.
Theo lý thuyết, Vụ nổ lớn lẽ ra tạo ra vật chất và phản vật chất với lượng gần như ngang nhau. Khi gặp nhau, hai dạng vật chất này có thể hủy diệt lẫn nhau. Nếu chúng thực sự được tạo ra với lượng bằng nhau và hoàn toàn triệt tiêu, vũ trụ sẽ không còn lượng vật chất cần thiết để hình thành các ngôi sao, hành tinh và sự sống như hiện nay.
Vũ trụ ngày nay lại chứa lượng vật chất vượt trội so với phản vật chất. Một số mô hình cho rằng neutrino thuận tay phải có thể giúp tạo ra sự chênh lệch này.
Trong kịch bản đó, những neutrino nặng phân rã thành các hạt khác, để lại lượng dư nhỏ của các hạt thuộc nhóm lepton, bao gồm electron. Qua những quá trình vật lý tiếp theo, sự mất cân bằng ban đầu có thể góp phần tạo nên lượng vật chất còn tồn tại trong vũ trụ hiện nay.
Các mô hình cơ chế bập bênh thường đưa vào 3 neutrino thuận tay phải. Tuy nhiên, một số nghiên cứu tập trung vào 2 hạt để giải thích dữ liệu quan sát, trong khi hạt thứ 3 thường bị bỏ qua vì được cho là quá nặng hoặc tương tác quá yếu với vật chất.
Hạt bị bỏ quên có thể từng chi phối vũ trụ sơ khai
Trong nghiên cứu mới, Roshan và Show xem xét điều gì sẽ xảy ra nếu neutrino thuận tay phải thứ 3 thực sự tồn tại và có ảnh hưởng đáng kể đến lịch sử ban đầu của vũ trụ.
Trong một kịch bản chính được nhóm nghiên cứu khảo sát, hạt này có khối lượng lớn gấp khoảng 100 nghìn tỷ lần khối lượng proton.
Ngay sau Vụ nổ lớn, khi vũ trụ còn cực kỳ nóng, hạt có thể chuyển động gần bằng tốc độ ánh sáng. Ở giai đoạn đó, năng lượng của nó giảm dần khi không gian giãn nở, tương tự cách năng lượng của ánh sáng bị suy giảm khi bước sóng kéo dài.
Khi vũ trụ nguội đi, hạt bắt đầu chuyển động chậm hơn. Phần lớn năng lượng của nó khi ấy gắn với khối lượng nghỉ, thay vì giảm nhanh theo cách của các hạt tương đối tính. Trong khi mật độ năng lượng của những thành phần khác tiếp tục suy giảm, thành phần neutrino nặng có thể trở nên ngày càng chiếm ưu thế.
Theo tính toán của nhóm nghiên cứu, hạt này có thể tạo ra một giai đoạn mà năng lượng của vũ trụ sơ khai chủ yếu đến từ nó. Giai đoạn thống trị vật chất như vậy có thể kéo dài cho đến khi hạt phân rã thành những hạt khác.
Roshan cho biết sự hiện diện của neutrino thuận tay phải bị bỏ quên có thể ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ giãn nở của vũ trụ trong giai đoạn đầu, đồng thời tác động đến các tương tác được mô tả bởi mô hình chuẩn.
Điểm quan trọng nằm ở chỗ những tương tác này không diễn ra độc lập với sự giãn nở của không gian. Chúng chỉ trở nên hiệu quả khi tốc độ tương tác đủ lớn so với tốc độ giãn nở của vũ trụ. Nếu neutrino nặng khiến vũ trụ giãn nở nhanh hơn trong một khoảng thời gian, một số quá trình hạt sẽ phải chờ đến khi vũ trụ tiếp tục nguội đi mới có thể diễn ra hiệu quả.
Sự trì hoãn này có thể làm thay đổi cách các hương vị lepton được phân biệt trong vũ trụ sơ khai, qua đó ảnh hưởng đến quá trình hình thành sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất.
Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng, trong kịch bản được khảo sát, một neutrino thuận tay phải nhẹ hơn, có khối lượng khoảng 100 tỷ lần khối lượng proton, có thể tạo ra lượng vật chất dư phù hợp với mức quan sát được. Điều này vẫn có thể xảy ra ngay cả khi một phần lượng dư bị pha loãng do sự phân rã của neutrino nặng.
Sóng hấp dẫn có thể giúp kiểm chứng giả thuyết
Neutrino thuận tay phải trong các mô hình này có khối lượng quá lớn để có thể được tạo ra trực tiếp trong những máy gia tốc hạt hiện nay. Vì vậy, các nhà khoa học cần tìm kiếm những dấu hiệu gián tiếp mà chúng có thể để lại trong vũ trụ.
Một hướng nghiên cứu tiềm năng là sóng hấp dẫn, những gợn sóng lan truyền trong không-thời gian. Nếu vũ trụ từng trải qua giai đoạn bị chi phối bởi neutrino nặng, sự thay đổi trong lịch sử giãn nở có thể để lại dấu ấn trong nền sóng hấp dẫn từ thời kỳ sơ khai.
Những dấu hiệu này có thể liên quan đến các nguồn sóng hấp dẫn giả định như chuỗi vũ trụ, những cấu trúc dạng sợi được cho là có thể hình thành trong vũ trụ thời kỳ đầu.
Roshan cho biết các dự đoán của nhóm nghiên cứu có thể được kiểm tra bằng những cơ sở quan sát trong tương lai, trong đó có Ăng-ten không gian giao thoa kế laser (LISA) và Đài quan sát mảng kilômét vuông (SKAO).
LISA là sứ mệnh quan sát sóng hấp dẫn trong không gian do Cơ quan Vũ trụ châu Âu dẫn dắt, dự kiến phóng vào khoảng năm 2035. Trong khi đó, SKAO là dự án kính viễn vọng vô tuyến quy mô lớn đang được xây dựng tại Australia và Nam Phi. Dự án này có thể tìm kiếm những dấu hiệu liên quan bằng cách theo dõi thời gian phát xung của các sao xung ở xa.
Ngoài ra, plasma cực nóng trong vũ trụ sơ khai cũng có thể để lại tín hiệu nền yếu mang thông tin về giai đoạn nói trên. Dù vậy, tín hiệu này được dự đoán xuất hiện ở tần số vượt quá khả năng phát hiện của các thiết bị hiện có.
