Phát hiện manh mối về vật chất tối

Cơ sở Nghiên cứu Dưới lòng đất Sanford, Mỹ.

Tín hiệu bất thường dưới lòng đất

Đầu tháng 9/2026, tại Cơ sở Nghiên cứu Dưới lòng đất Sanford (SURF), Mỹ, trong quá trình làm thí nghiệm LUX-ZEPLIN (LZ), các nhà khoa học đã ghi nhận một tương tác hạt nghi do vật chất tối gây ra.

Thí nghiệm LZ sử dụng một máy dò chứa xenon lỏng siêu tinh khiết, được đặt sâu dưới lòng đất nhằm hạn chế tối đa ảnh hưởng từ bức xạ vũ trụ. Hàng trăm cảm biến ánh sáng bao quanh khu vực phát hiện, chờ đợi những tín hiệu cực kỳ yếu có thể xuất hiện khi một hạt vật chất tối va chạm với nguyên tử xenon.

Trong 220 ngày (từ tháng 3/2023 đến tháng 4/2024) dữ liệu được thu thập, máy dò ghi nhận một tương tác với độ tin cậy khoảng 2,6 sigma. Con số này đủ để khiến các nhà nghiên cứu quan tâm, nhưng vẫn thấp hơn rất nhiều ngưỡng thường được yêu cầu để tuyên bố một phát hiện trong vật lý hạt.

Ông Rick Gaitskell, người phát ngôn của LZ, cho biết dù kết quả rất hứa hẹn nhưng không loại trừ khả năng đây chỉ là phản ứng với một chất thông thường. Thí nghiệm không đồng nghĩa Trái đất đã phát hiện ra vật chất tối mà chỉ là bước đầu để kiểm tra xem nó có phải là dấu vết của một loại hạt chưa từng được biết đến hay không.

Các nhà nghiên cứu cần thêm thời gian để tiếp tục nghiên cứu tín hiệu mới thu được. Tuy nhiên, điều này cho thấy Trái đất vẫn không ngừng tìm kiếm vật chất tối.

Vật chất tối là chất keo vô hình liên kết vũ trụ với nhau nhưng rất khó nắm bắt. Theo mô hình vũ trụ học hiện nay, vật chất thông thường chỉ chiếm khoảng 5% tổng thành phần của vũ trụ, trong khi vật chất tối chiếm khoảng 27% và năng lượng tối khoảng 68%. Vì vậy, khoảng 95% thành phần vũ trụ không thuộc về vật chất thông thường mà con người có thể quan sát trực tiếp.

Vật chất tối không phải là một loại “vật chất màu đen”. Nó không phát sáng, không phản xạ ánh sáng và dường như tương tác với vật chất thông thường cực kỳ yếu, khiến các kính thiên văn không thể quan sát nó theo cách thông thường.

Bằng chứng về vật chất tối xuất hiện từ việc quan sát tác động hấp dẫn của nó. Từ những năm 1930, nhà thiên văn học người Thụy Sĩ Fritz Zwicky nhận thấy các thiên hà trong Cụm Coma chuyển động nhanh hơn mức có thể giải thích bằng lượng vật chất quan sát được. Sau đó, nhiều quan sát khác về tốc độ quay của thiên hà, chuyển động của các cụm thiên hà và hiện tượng thấu kính hấp dẫn tiếp tục củng cố giả thuyết về một thành phần vật chất vô hình.

Vật chất tối không thể nhìn thấy bằng mắt thường.

Vì sao vật chất tối khó tìm đến vậy?

Tuy nhiên, các nhà khoa học chưa biết vật chất tối được tạo thành từ gì. Giả thuyết lớn nhất hiện nay là WIMP, viết tắt của “hạt khối lượng lớn tương tác yếu”.

Theo đó, vật chất tối có thể gồm những hạt tương đối nặng, hiếm khi tương tác với vật chất thông thường. Nếu một WIMP va vào hạt nhân xenon trong máy dò LZ, vụ va chạm có thể tạo ra ánh sáng và tín hiệu điện tích rất yếu. Đây chính là loại tương tác mà thí nghiệm đang tìm kiếm.

Một “ứng viên” khác là axion, loại hạt giả thuyết nhẹ hơn rất nhiều. Việc chưa tìm thấy WIMP trong nhiều thí nghiệm khiến giới vật lý phải mở rộng phạm vi tìm kiếm sang các mô hình khác thay vì chỉ tập trung vào một loại hạt duy nhất.

LZ được thiết kế để giải quyết vấn đề bằng cách loại bỏ càng nhiều “nhiễu” càng tốt. Máy dò nằm sâu dưới lòng đất để đá phía trên che chắn phần lớn bức xạ vũ trụ. Bản thân xenon cũng phải đạt độ tinh khiết rất cao, trong khi các vật liệu xung quanh được lựa chọn nhằm giảm lượng phóng xạ tự nhiên đến mức thấp nhất.

LZ hiện là một trong những thí nghiệm nhạy nhất thế giới trong cuộc săn tìm vật chất tối. Máy dò sử dụng khoảng 10 tấn xenon lỏng siêu tinh khiết và được đặt gần 1,6 km dưới lòng đất. Nhóm hợp tác quốc tế gồm khoảng 250 nhà khoa học và kỹ sư đang tiếp tục thu thập dữ liệu.

Nếu những quan sát tiếp theo liên tục xuất hiện với đặc điểm tương tự, mức độ tin cậy của giả thuyết vật chất tối sẽ tăng lên đáng kể. Ngược lại, nếu tín hiệu không lặp lại, nó có thể chỉ là một hiện tượng hiếm gặp.

Cuộc tìm kiếm không chỉ diễn ra dưới lòng đất. Ngoài không gian, các nhà khoa học tìm kiếm vật chất tối thông qua tác động của nó lên cấu trúc và sự tiến hóa của vũ trụ. Các nhà khoa học đánh giá vật chất tối có vai trò đặc biệt trong vật lý hiện nay và trong nghiên cứu về vũ trụ.

Nếu vật chất tối thực sự được tạo thành từ một loại hạt mới, việc xác định được hạt đó sẽ mở ra một chương hoàn toàn mới của vật lý. Nó sẽ mở rộng phạm vi và kiến thức của lý thuyết Mô hình Chuẩn, mô tả các hạt cơ bản và những tương tác đã được chứng minh.