Theo các mô hình vật lý hiện nay, một photon mang năng lượng 300 TeV rất khó đi qua khoảng 2 tỷ năm ánh sáng mà vẫn tồn tại. Thế nhưng một photon như vậy đã được ghi nhận tại Trái Đất.

Các nhà khoa học Italy mới đây đã thử tìm lời giải cho trường hợp này. Nghiên cứu được công bố trên Physical Review Letters, tập trung vào photon được thiết bị Carpet tại Đài quan sát Baksan ở Nga ghi nhận sau vụ bùng nổ tia gamma GRB 221009A.

GRB 221009A xuất hiện vào tháng 10/2022 và là vụ bùng nổ tia gamma sáng nhất từng được quan sát. Nó xảy ra cách Trái Đất khoảng 2 tỷ năm ánh sáng. Trong lượng bức xạ phát ra từ sự kiện này, photon nói trên nổi bật với năng lượng lên tới 300 teraelectronvolt (TeV), gấp khoảng 100 nghìn tỷ lần photon của ánh sáng nhìn thấy.

Khắp vũ trụ tồn tại bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), phần ánh sáng còn lại từ thời kỳ sơ khai sau Big Bang, do đó photon năng lượng cao có thể va chạm với các photon của bức xạ nền trong lúc di chuyển. Khi đó, năng lượng của chúng có thể chuyển thành những hạt khác và không còn photon ban đầu nữa. Với năng lượng 300 TeV và quãng đường khoảng 2 tỷ năm ánh sáng, photon từ GRB 221009A đáng lẽ rất khó tới được Trái Đất.

Các nhà khoa học từng cho rằng photon có thể “né” những trở ngại trên đường đi bằng cách chuyển thành hạt giống axion (ALP). Đây là loại hạt mới chỉ tồn tại trong lý thuyết.

Theo giả thuyết, photon có thể chuyển thành hạt giống axion (ALP) trong lúc di chuyển. ALP tương tác rất yếu với bức xạ nên có thể vượt qua những vùng mà photon năng lượng cao khó đi qua, rồi chuyển trở lại thành photon. Cơ chế này từng được dùng để giải thích các photon ở mức vài chục TeV, nhưng với photon 300 TeV, hiệu quả tính toán được vẫn thấp hơn khoảng 100 lần so với mức cần thiết.

Vì vậy, nhóm nghiên cứu xét thêm khả năng liên quan đến bất biến Lorentz, một nguyên lý quan trọng của thuyết tương đối hẹp. Một số mô hình hấp dẫn lượng tử cho rằng ở mức năng lượng cực cao, nguyên lý này có thể xuất hiện những sai lệch rất nhỏ. Khi đó, photon sẽ tương tác với bức xạ nền khác với dự đoán thông thường và có thể đi xa hơn.

Kết hợp cả hai yếu tố, nhóm nghiên cứu nhận thấy photon 300 TeV có thể vượt qua quãng đường khoảng 2 tỷ năm ánh sáng mà không bị hấp thụ trên đường tới Trái Đất.

Thời điểm photon này xuất hiện cũng được đưa vào phân tích. Nó tới muộn hơn khoảng một giờ so với những photon có năng lượng thấp hơn từ GRB 221009A. Một nghiên cứu riêng cho thấy sự chậm trễ này cũng có thể xảy ra nếu cách photon di chuyển thay đổi đôi chút ở mức năng lượng rất cao.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu mới chỉ đưa ra một cách giải thích về mặt lý thuyết. ALP chưa từng được xác nhận tồn tại, còn sự vi phạm bất biến Lorentz cũng chưa được chứng minh. Dữ liệu hiện tại chủ yếu dựa trên một photon 300 TeV nên chưa đủ để kết luận đây là dấu hiệu của vật lý mới.

Những vụ bùng nổ tia gamma trong tương lai có thể cung cấp thêm dữ liệu. Nếu các đài quan sát tiếp tục ghi nhận những photon có năng lượng tương tự từ khoảng cách rất xa, các nhà khoa học sẽ có thêm cơ sở để kiểm tra liệu cách giải thích này có đúng hay không.