Hạt Higgs có thể là nguồn sinh ra vật chất tối

Máy gia tốc hạt lớn (Large Hadron Collider - LHC) được sử dụng để các hạt va chạm nhau với vận tốc cao. Quá trình này thường tạo ra các hạt mới, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu những hiện tượng gần như không thể xảy ra trong tự nhiên.

Một trong những phát hiện gây chấn động nhất của LHC chính là hạt Higgs (Higgs boson) vào năm 2012. Sau nhiều giả thuyết được đặt ra, sự xuất hiện của nó như một mảnh ghép cuối cùng giúp hoàn thiện Mô hình Chuẩn (the Standard Model, SM) của ngành Vật lý hạt và được tin là phương tiện cung cấp khối lượng cho các hạt cơ bản. Kể từ đó, các nhà khoa học đã tận dụng hạt Higgs như một công cụ thăm dò các bí ẩn khác về vật lý hạt. Qua nhiều thí nghiệm, hạt Higgs phân rã thành nhiều loại hạt khác nhau, trong đó một số hạt được cho là không thể phát hiện trực tiếp bằng máy gia tốc hạt.

Trong nghiên cứu mới nhất của CERN, các nhà khoa học đã chú ý được sự hao hụt về năng lượng trong các mảnh vỡ hạt (debris) và dự đoán về các hạt vô hình. Tuy nhiên, chỉ có một sản phẩm phân rã vô hình duy nhất phù hợp với Mô hình Chuẩn của ngành, xảy ra khi Hạt Higgs phân rã thành 4 neutrino (phản hạt của electron), song điều này rất hiếm xảy ra, tỉ lệ chỉ khoảng 0.1%. Như vậy, với tỉ lệ các hạt không được phát hiện được sinh ra thường xuyên, các nhà khoa học dự đoán sản phẩm phân rã có thể chính là một (hoặc nhiều) loại hạt mới.

Và một trong những hạt vô hình này có thể là vật chất tối. Vật chất tối được cho là có vai trò quan trọng trong việc kết nối tất cả các vật chất trong vũ trụ với nhau và có ảnh hưởng đến trọng lực, song lại không phát ra hoặc phản chiếu bất kì ánh sáng nào có thể phát hiện được.

Biết rằng hạt Higgs có vai trò “trao” khối lượng cho các hạt, và vật chất tối chỉ có thể xác định bằng khối lượng, người ta suy ra sự tương tác khả dĩ giữa hai hạt này. Các nhà nghiên cứu tại CERN đã thực hiện kiểm tra xem hạt Higgs có thể phân rã thành vật chất tối hay không.

Nhóm nghiên cứu điều tra toàn bộ bộ dữ liệu từ lần chạy máy gia tốc hạt lớn thứ hai diễn ra từ 2015 đến 2018. Trong quá trình này, khoảng 100 triệu tỷ (quadrillion) vụ va chạm hạt đã diễn ra. Các nhà nghiên cứu không phát hiện các sự kiện sinh ra hạt vô hình dư thừa như dự đoán theo Mô hình Chuẩn và thu hẹp giới hạn tần suất phân rã hạt Higgs thành vật chất vô hình xuống 13%.

Dù không tìm ra dấu hiệu vật chất tối, các nhà nghiên cứu khẳng định thí nghiệm giúp tạo áp lực về việc nghiên cứu đặc tính của vật chất tối và tiếp tục công cuộc xác định và tìm kiếm nó để hoàn thiện Mô hình Chuẩn.