Kết quả của cuộc tìm kiếm hạt axion tối ở giai đoạn II của dự án HAYSTAC

Thí nghiệm HAYSTAC (Haloscope at Yale Sensitive to Axion Cold Dark Matter), dự án hợp tác nghiên cứu giữa các nhà khoa học tại Đại học Yale, Đại học California tại Berkeley và Đại học Johns Hopkins. Mục tiêu chính của HAYSTAC là phát hiện các hạt axion, vốn là những ứng cử viên hàng đầu cho thành phần bí ẩn của vật chất tối trong vũ trụ.

Trong một bài báo gần đây được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, nhóm nghiên cứu HAYSTAC đã báo cáo kết quả của cuộc tìm kiếm axion rộng nhất từ trước đến nay. Họ đã sử dụng một kỹ thuật gọi là “ép lượng tử” (quantum squeezing), được thiết kế để giảm nhiễu lượng tử.

Reina Maruyama, đồng tác giả của bài báo nghiên cứu, giải thích: “Axion được đưa ra để giải thích sự thiếu đối xứng liên hợp điện tích và chẵn lẻ (CP) trong lực tương tác mạnh. Ý tưởng ban đầu về cách tìm kiếm axion đến từ Sikivie. Steve Lamoreaux từ lâu đã nghiên cứu về vấn đề CP mạnh, bắt đầu từ công trình tìm kiếm mômen lưỡng cực điện vĩnh cửu trong nguyên tử thủy ngân và neutron của ông”.

Ban đầu, axion được các nhà lý thuyết Frank Wilczek và Steven Weinberg đưa ra để giải thích tính đối xứng đảo ngược thời gian trong lực hạt nhân mạnh. Tuy nhiên, sau đó, chúng cũng trở thành một ứng cử viên tiềm năng cho vật chất tối, một loại vật chất bí ẩn chỉ tương tác yếu với bức xạ điện từ nhưng được cho là chiếm phần lớn khối lượng của vũ trụ.

Steve Lamoreaux, đồng tác giả của bài báo, cho biết: “Về mặt lý thuyết, có một tham số số thuần túy (theta, ký tự Hy Lạp) quy định mức độ bất đối xứng đảo ngược thời gian. Về nguyên tắc, nó có thể là bất kỳ giá trị nào, nhưng giá trị thực tế của nó rất nhỏ, dưới 10⁻¹⁰, chủ yếu bị giới hạn bởi mômen lưỡng cực điện của neutron”.

Ông nói thêm: “Tuy nhiên, sự bất đối xứng đảo ngược thời gian lại được quan sát thấy trong sự phân rã của các meson ‘lạ’. Vì vậy, việc nó lại nhỏ đến vậy trong lực hạt nhân là một bí ẩn đã được giải quyết bởi axion (theo nghĩa tập thể). Pierre Sikivie dường như là người đầu tiên nhận ra rằng axion có thể đóng vai trò là một hạt ứng cử viên cho vật chất tối, vì nó chỉ tương tác rất yếu với vật chất hoặc trường điện từ”.

Ý tưởng rằng các axion nhẹ có thể chiếm phần lớn mật độ vật chất của vũ trụ đã được ba nhóm nghiên cứu độc lập báo cáo gần như đồng thời. Nhóm đầu tiên do Sikivie và Lou Abbott dẫn đầu, nhóm thứ hai do Michael Dine và Willy Fischler, và nhóm thứ ba do John Preskill, Mark Wise và Frank Wilczek.

Ngay sau khi đưa ra ý tưởng về axion như một ứng cử viên cho vật chất tối, Sikivie cũng phác thảo khái niệm về một “kính tiềm vọng” (haloscope) – một thiết bị dò tìm axion vật chất tối trong quầng thiên hà, dựa trên một khoang vi sóng đặt trong một từ trường rất mạnh. Từ trường này sẽ kích thích sự chuyển đổi axion thành photon ở tần số vô tuyến hoặc vi sóng, cho phép phát hiện trực tiếp chúng, mặc dù các tín hiệu liên quan rất nhỏ.

Khi tần số tăng lên, các thách thức trong việc phát hiện axion bằng kính tiềm vọng cũng gia tăng. Ví dụ, tần số cao hơn đồng nghĩa với việc giảm thể tích khoang chuyển đổi và giảm mật độ axion cho một khối lượng quầng thiên hà nhất định trên một đơn vị thể tích.

Trong giai đoạn II của thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các công nghệ đo lường lượng tử và kỹ thuật ép lượng tử để tăng cường độ nhạy của thiết bị. Cho đến nay, HAYSTAC là một trong hai thí nghiệm trên toàn thế giới (cùng với dự án lớn hơn là Advanced LIGO) dựa vào kỹ thuật ép lượng tử để nâng cao độ nhạy của các công cụ đo lường.

Nhóm nghiên cứu HAYSTAC cũng tích hợp các tủ lạnh pha loãng không cần cryogen bên ngoài vào thiết bị của họ, điều mà họ không sử dụng trong các cuộc tìm kiếm axion trước đây. Cả kỹ thuật ép lượng tử và tủ lạnh pha loãng đều giúp họ giảm chi phí tài chính liên quan đến việc xây dựng và vận hành kính tiềm vọng.

Mặc dù không phát hiện được bất kỳ tín hiệu nào có thể liên quan đến axion, nhưng nhóm nghiên cứu đã có thể khảo sát một không gian tham số lớn hơn. Trong tương lai, họ có kế hoạch tiếp tục cải thiện thiết bị HAYSTAC và tiếp tục tìm kiếm axion vật chất tối, đồng thời nghiên cứu các phương pháp tìm kiếm vật chất tối khác bằng cách sử dụng kính tiềm vọng và các thiết bị tại Yale.

Danielle Speller, đồng tác giả của bài báo, cho biết: “Chúng tôi có một vài ý tưởng về việc đẩy thí nghiệm để tìm kiếm axion có khối lượng cao hơn, và chúng tôi đang nghiên cứu một số ý tưởng lấy cảm hứng từ công nghệ lượng tử để cải thiện các kỹ thuật phát hiện. Thí nghiệm ALPHA là một sự mở rộng tự nhiên, cũng như việc phát hiện photon đơn lẻ bằng nguyên tử Rydberg và tăng cường phát hiện, mà chúng tôi gọi là CEASEFIRE, được mô tả trong bài báo này. CEASEFIRE là một sơ đồ tăng cường lượng tử mạnh mẽ, sử dụng sự vướng víu hai khoang với trao đổi trạng thái để tăng tốc độ tìm kiếm theo một bậc độ lớn. Việc tìm kiếm trên 10 GHz cũng đưa các khoang vào thế giới của cấu trúc photon và cuối cùng là các bộ cộng hưởng dựa trên siêu vật liệu siêu dẫn, mà chúng tôi đang nghiên cứu”.

Thí nghiệm ALPHA là một dự án hợp tác nghiên cứu lớn hơn, nhằm mục đích phát hiện axion có khối lượng lớn hơn đáng kể, đặc biệt là trong chế độ khối lượng axion sau lạm phát. Thí nghiệm này sẽ dựa trên một thiết bị khác được gọi là kính tiềm vọng plasma, hiện đang được xây dựng tại Yale.

Cục TT,TK