Bài viết này khám phá các nghiên cứu mới nhất về Axion, một hạt giả thuyết có khả năng giải quyết vấn đề CP mạnh trong lượng tử sắc động lực học (QCD) và đóng vai trò là ứng cử viên hàng đầu cho vật chất tối. Chúng ta sẽ đi sâu vào các mô hình leptogenesis, tương tác của Axion, và những tác động tiềm năng của chúng đối với sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
Trong lượng tử sắc động lực học (QCD), có một số hạng gọi là "số hạng theta" (θ-term), về mặt lý thuyết, có thể dẫn đến vi phạm các đối xứng kết hợp của điện tích và chẵn lẻ (CP). Tuy nhiên, các thí nghiệm cho thấy các tương tác mạnh tuân theo đối xứng CP ở mức độ rất cao. Sự mâu thuẫn này, được gọi là vấn đề CP mạnh, là một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lý hạt.
Một giải pháp thanh lịch cho vấn đề CP mạnh được đề xuất bởi Roberto Peccei và Helen Quinn. Họ đưa ra một đối xứng toàn cục mới, được gọi là đối xứng Peccei-Quinn (PQ), bị phá vỡ một cách tự phát. Sự phá vỡ đối xứng này dẫn đến sự tồn tại của một hạt mới, Axion, một boson Goldstone giả.
Nghiên cứu mới tập trung vào mô hình leptogenesis, quá trình tạo ra sự bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ sơ khai. Mô hình cụ thể này yêu cầu một nền vi phạm CPT (CPTV) của trường axion Kalb-Ramond (KR). Axion KR là một hạt giả vô hướng, liên quan đến lý thuyết dây bosonic và lực hấp dẫn Einstein-Cartan.
Các tác giả đã sử dụng các phương pháp lý thuyết trường hiệu quả để kiểm tra các lượng tử giả vô hướng của axion KR trong nền này. Mô hình leptogenesis bao gồm một neutrino vô trùng {tay phải} đơn lẻ (RHN) với khối lượng m_N. Ở các năng lượng thấp hơn m_N, một thế năng Axion được suy ra bằng cách tích hợp {ở một vòng lặp} neutrino vô trùng theo tinh thần của lý thuyết trường hiệu quả.
Sự ổn định của thế năng Axion rất quan trọng đối với tính khả thi của mô hình. Các tác giả phát hiện ra rằng chân không của thế năng này thường là siêu bền. Sự ổn định của chân không được xác định bởi tỷ số giữa hằng số tương tác axion do xoắn gây ra (phụ thuộc vào thang khối lượng dây) và m_N. Để lý thuyết trường hiệu quả có giá trị, tỷ số này phải lớn hơn hoặc bằng một.
Chân không chỉ siêu bền khi các hằng số tương tác Axion lớn hơn nhiều so với khối lượng neutrino vô trùng (thang khối lượng dây lớn, ví dụ: so sánh với khối lượng Planck bốn chiều), với tuổi thọ lớn hơn nhiều so với tuổi của vũ trụ quan sát được. Ngược lại, nếu hằng số tương tác Axion tương đương với khối lượng RHN, chân không giả rất không ổn định, với tuổi thọ nhỏ hơn nhiều so với tuổi của vũ trụ quan sát được. Trong trường hợp này, kịch bản leptogenesis CPTV không khả thi.
Ngoài vai trò tiềm năng trong việc giải quyết vấn đề CP mạnh, Axion còn là ứng viên hàng đầu cho vật chất tối. Vật chất tối chiếm khoảng 85% tổng vật chất trong vũ trụ, nhưng bản chất của nó vẫn là một bí ẩn. Do tương tác yếu và khối lượng thấp, Axion phù hợp với các đặc điểm cần thiết của vật chất tối lạnh.
Các dao động của trường Axion xung quanh cực tiểu của thế năng hiệu quả, được gọi là cơ chế lệch trục, tạo ra một quần thể Axion lạnh vũ trụ với độ phong phú phụ thuộc vào khối lượng của Axion. Axion với khối lượng nhỏ hơn nhiều so với 60 keV/c^2 có tuổi thọ cao và tương tác yếu, một ứng viên hoàn hảo cho vật chất tối.
Do tương tác yếu, việc phát hiện trực tiếp Axion là một thách thức lớn. Tuy nhiên, nhiều thí nghiệm trên toàn thế giới đang nỗ lực tìm kiếm Axion thông qua nhiều phương pháp khác nhau. Các thí nghiệm này thường khai thác sự tương tác dự kiến của Axion với photon trong từ trường mạnh.
Axion tiếp tục là một hạt hấp dẫn trong vật lý năng lượng cao, hứa hẹn giải quyết vấn đề CP mạnh và cung cấp lời giải thích cho vật chất tối. Các nghiên cứu mới, như đã đề cập ở trên, đang làm sáng tỏ hơn nữa các đặc tính và tương tác của Axion, dẫn đường cho các thí nghiệm tìm kiếm chúng và mở rộng hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
Việc tiếp tục khám phá Axion là rất quan trọng để làm sáng tỏ những bí ẩn cơ bản của vũ trụ và có thể mang lại những khám phá mang tính cách mạng trong vật lý.
Bài viết liên quan