Thành tựu khoa học mới: Đạt được bước tiến trong công cuộc tìm kiếm vật chất tối

Tuy nhiên họ chưa vội khẳng định chắc chắn rằng mình đã thực sự phát hiện ra thành phần bí ẩn này của vũ trụ.

Nhóm nghiên cứu đã mô tả một sự tương tác hạt được ghi nhận tại Cơ sở nghiên cứu ngầm Sanford — nằm trong một mỏ vàng cũ thuộc vùng Black Hills của bang này. Sự kiện này có thể liên quan đến một loại hạt giả định có tên là WIMP (hạt nặng tương tác yếu - weakly interacting massive particle). Đây là một trong những ứng viên sáng giá được cho là hạt cấu thành nên vật chất tối.

Vật chất thông thường tạo nên các ngôi sao, hành tinh, con người và mọi thứ khác mà chúng ta có thể nhìn thấy. Tuy nhiên, nó chỉ chiếm khoảng 15% tổng lượng vật chất trong vũ trụ. Phần còn lại được cho là vật chất tối; loại vật chất này không phát ra hay phản xạ ánh sáng, khiến nó trở nên vô hình trước mắt người và các kính thiên văn. Dù vậy, các nhà khoa học vẫn tin chắc vào sự tồn tại của vật chất tối nhờ vào các tác động hấp dẫn của nó ở quy mô thiên hà.

Nhà vật lý hạt Sam Eriksen thuộc Đại học Bristol (Anh), tác giả chính của nghiên cứu này, cho biết đây "có thể là dấu hiệu đầu tiên cho thấy con người quan sát được vật chất tối".

Vật chất tối là một trong những bí ẩn lớn nhất trong vũ trụ - Ảnh: NASA

Người ta cho rằng vật chất tối cực kỳ hiếm khi tương tác với vật chất thông thường. Thí nghiệm LUX-ZEPLIN (hay còn gọi là LZ) — nơi diễn ra quan sát nói trên — được thiết kế để phát hiện những tương tác như vậy và được tối ưu hóa để tìm kiếm các hạt WIMP.

Thí nghiệm này sử dụng 10 tấn nguyên tố xenon ở dạng lỏng bên trong một thiết bị dò — một bình chứa lớn hình trụ — do Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ quản lý.

Các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm hiện tượng vật chất tối tán xạ khỏi các nguyên tử xenon. Khi một hạt tán xạ (hiện tượng sóng hoặc hạt bị lệch khỏi hướng ban đầu khi chúng tương tác với vật cản hoặc các hạt vật chất trong môi trường), họ sẽ quan sát thấy những tia sáng lóe lên; các đặc tính của những tia sáng này sẽ tiết lộ loại hạt nào đã tương tác với xenon.

Trong thông báo đưa ra vào hôm 1/9 tại một hội nghị khoa học ở Nhật Bản (và được mô tả chi tiết trong nghiên cứu gửi tới tạp chí Physical Review Letters), họ đã trình bày về việc phát hiện một tương tác giữa nguyên tử xenon và một hạt khác; sự kiện này dường như diễn ra theo đúng cách thức được dự đoán đối với hạt WIMP.

Họ cho biết hiện tượng có thể đã được quan sát là một hạt WIMP va chạm với hạt nhân của nguyên tử xenon, truyền một lượng năng lượng nhỏ và tạo ra một tia sáng cực tím (UV) mờ nhạt được hệ thống thí nghiệm ghi nhận. Đồng thời, cú va chạm này khiến hạt nhân nguyên tử xenon bị đẩy giật về phía trước, tạo ra hiện tượng được gọi là sự giật lùi hạt nhân.

Trong khi ‌các nhà nghiên cứu cho biết sự tương tác diễn ra như họ mong đợi WIMP hoạt động, họ cảnh báo rằng quan sát vẫn chưa đáp ứng ngưỡng thống kê cần thiết để khẳng định phát hiện ra vật chất tối.

“Điều quan trọng là vì đây chỉ là một sự kiện đơn lẻ nên chúng tôi không khẳng định đó là vật chất tối” - Eriksen cho biết. Các nhà nghiên cứu đang làm việc để loại trừ những lời giải thích khác.

Bộ phận dò tìm chính của thí nghiệm vật chất tối LUX-ZEPLIN tại một phòng thí nghiệm trên mặt đất, trước khi được lắp đặt dưới lòng đất tại Cơ sở Nghiên cứu ngầm Sanford ở Lead, bang South Dakota, Hoa Kỳ- Ảnh: Reuters

Nhà vật lý thiên văn UCLA và là đồng tác giả nghiên cứu Alvine Kamaha cho biết: “Chúng tôi có thể đang xem xét một điều gì đó phi thường, nhưng chúng tôi phải đặc biệt nghiêm ngặt trước khi đưa ra kết luận đó”.

Các nhà khoa học không chắc chắn về bản chất của vật chất tối, cũng như họ không chắc chắn về bản chất của lực vũ trụ bí ẩn gọi là năng lượng tối.

Kamaha cho biết: “Có thể có hàng triệu hạt vật chất tối đi qua cơ thể chúng ta mỗi giây, nhưng hầu như không có hạt nào trong số chúng tương tác với một nguyên tử trong cơ thể chúng ta”.

Một giả thuyết hàng đầu là vật chất tối được tạo thành từ một loại hạt được tạo ra trong vũ trụ thưở sơ khai và vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay.

Kamaha chia sẻ: “Khi chúng ta quan sát các thiên hà và cụm thiên hà, chúng ta thấy rằng chúng hoạt động như thể chúng chứa nhiều khối lượng hơn vật chất mà chúng ta có thể nhìn thấy. Vì vậy, mặc dù chúng ta không thể nhìn thấy vật chất tối, nhưng chúng ta có thể quan sát lực hấp dẫn của nó”.

Kamaha nhận định: “Bạn có thể coi vật chất tối như chất keo vũ trụ giúp hình thành các thiên hà như Dải Ngân hà của chúng ta. Nếu không có vật chất tối, vũ trụ sẽ tiến hóa rất khác và các cấu trúc cuối cùng dẫn đến hệ Mặt trời của chúng ta có thể đã không hình thành theo cách tương tự”. Hiện nay, các nhà khoa học vẫn đang tìm kiếm vật chất tối bằng nhiều cách.

Nhà vật lý Kamaha chia sẻ với Reuters: “Chúng tôi nghiên cứu tác động hấp dẫn của nó lên các thiên hà và vũ trụ. Chúng tôi cố gắng tạo ra các hạt vật chất tối trong máy gia tốc hạt. Và chúng tôi thực hiện phát hiện trực tiếp bằng cách sử dụng các thí nghiệm được chôn sâu dưới lòng đất, như LZ, để bảo vệ chúng khỏi các tia vũ trụ và các nguồn nhiễu khác trong khi chúng tôi tìm kiếm trường hợp cực kỳ hiếm khi một hạt vật chất tối tương tác với vật chất thông thường”.