Công cuộc đi tìm loại vật chất bí ẩn nhất vũ trụ

10 tấn xenon lỏng đang được bơm vào thùng chứa nằm sâu gần 1,2 km dưới lòng đất, gần trung tâm một mỏ vàng cũ ở Nam Dakota, Mỹ. Bằng thùng hóa chất khổng lồ này, các nhà khoa học hy vọng khám phá loại vật chất bí ẩn chiếm hơn 85% tổng khối lượng vũ trụ: Vật chất tối.

LUX-ZEPLINE (LZ) là một trong ba thí nghiệm lớn được tài trợ để dò tìm thông tin về vật chất tối, loại vật chất đang trêu ngươi giới khoa học trong hơn ba mươi năm qua.

Các thử nghiệm trước đây như LUX, tiền thân của LZ được thực hiện trong thời gian khá ngắn ngủi, do đó dự án tiếp theo này hy vọng sẽ giải quyết thách thức bằng cách sử dụng những hệ thống với quy mô và độ nhạy chưa từng thấy từ trước đến nay.

Máy dò LUX-ZEPLINE sẽ được đổ đầy 10 tấn xenon lỏng, các hạt vật chất tối khi đi qua đây sẽ lóe lên ánh sáng. Ảnh: SLAC.

"Bóng ma vũ trụ"

Khái niệm đầu tiên về vật chất tối bắt nguồn từ năm 1930, khi nhà thiên văn học Fritz Zwicky theo dõi vận tốc của hơn 1.000 thiên hà tụ lại với nhau. Ông quan sát thấy lực hấp dẫn từ vật chất nhìn thấy được chỉ đủ mạnh để giữ cho cụm sao không bị bay ra. Từ đó, ông cho rằng ở đây có sự góp mặt của “vật chất tối”.

40 năm sau, hai nhà thiên văn Vera Rubin và Kent Ford tìm thấy nhiều bằng chứng về vật chất tối bằng nghiên cứu chuyển động các ngôi sao trong thiên hà xoắn ốc.

Gần đây nhất, hai thiên hà va chạm tên gọi Bullet Cluster gây ra thấu kính hấp dẫn - hiệu ứng ánh sáng bị uốn cong bởi trọng lực cực lớn mà không thể giải thích nếu chỉ dựa trên những hạt vật chất nhìn thấy được.

Các nhà khoa học kết luận rằng những quan sát này đã mạnh mẽ chỉ ra sự tồn tại của vật chất tối, nhưng chính xác loại vật chất này được tạo ra để làm gì thì vẫn còn là bí ẩn.

Cụm thiên hà Bullet tạo ra hiệu ứng thấu kính hấp dẫn. Hình ảnh được tổng hợp từ các kính thiên văn Hubble, Chandra và Magellan, với phần màu hồng là các tia X phát ra từ khí nóng, trong khi xanh lam được cho là phản ứng với vật chất tối. Ảnh: NASA, CXC, CfA.

Để tìm ra vật chất tối, nhà vật lý Priscilla Cushman - người phát ngôn cho thí nghiệm dò tìm vật chất tối khác là SuperCDMS SNOLAB, đang nghiên cứu vật chất tối thông qua những thử nghiệm tác động lên các hạt vật chất thông thường.

Các nhà khoa học cố gắng tạo ra vật chất tối bằng cách cho hai hạt proton mang năng lượng cao va vào nhau trong máy gia tốc hạt cỡ lớn, bắt chước lại những gì có thể đã xảy ra ở vụ nổ Big Bang, thời điểm tất cả hạt này hình thành.

Các thí nghiệm như LZ và SuperCDMS được hy vọng phát hiện vật chất tối khi tương tác với vật chất bình thường thông qua một lực yếu thông qua tín hiệu cực kỳ nhạy từ các máy dò.

Tuy nhiên, những chỉ số vật lý về vật chất tối chỉ mới được phỏng đoán trên lý thuyết, Cushman cho rằng mọi thứ vẫn giống như đang mò kim đáy biển.

Loại vật chất phổ biến nhất trong vũ trụ

Loại hạt vật chất tối được biết đến rộng rãi nhất là WIMP. WIMP là viết tắt của Weakly interacting massive particles - những hạt có khối lượng lớn song sức tương tác lại rất yếu.

Hạt WIMP trở nên phổ biến sau khi các nhà vật lý lý thuyết cho rằng nếu các hạt tương tác yếu nặng gấp 100 lần một proton được tạo ra từ vụ nổ Big Bang, thì mật độ của chúng ngày nay sẽ chiếm toàn bộ số vật chất tối ước tính đang hiện hữu trong vũ trụ. LZ và SuperCDMS đều được thiết kế để phát hiện WIMP.

Các thí nghiệm LUX-ZEPLINE và SuperCDMS SNOLAB đều được đặt sâu dưới lòng đất, trong các mỏ bị bỏ hoang. LZ trong một mỏ vàng cũ ởNam Dakota và SuperCDMS ở Sudbury, Canada. Ảnh: SLAC.

SuperCDMS dự kiến bắt đầu tìm kiếm vào cuối năm 2020 với nhiệm vụ thăm dò các WIMP có khối lượng nhẹ nhất.

Trong khi đó, LZ lại nhắm vào các hạt WIMP mang khối lượng nặng hơn bằng cách dùng xenon tương tác với vật chất tối để tạo ra điện tích và tia sáng. Giống như SuperCDMS, LZ phải đối mặt thách thức trong việc loại bỏ tín hiệu gây nhiễu khỏi phóng xạ.

Rosenberg, nhà vật lý từ Đại học Washington đang dẫn đầu dự án có tên Thí nghiệm vật chất tối Axion (Axion Dark Matter Experiment G2 hay ADMX G2), chuyên nghiên cứu ứng cử viên vật chất tối khác là Axion.

Giới nghiên cứu cho rằng dù các hạt giả thuyết này khác nhau, hạt vật chất tối thực sự cũng có thể là sự kết hợp của tất cả loại hạt.

Đại Việt