Hành trình săn tìm "vật chất tối" đã thu được kết quả đầu tiên

Hành trình đi tìm hạt axion

Tới lúc này, thí nghiệm phản xạ băng thông rộng để phát hiện hạt axion (BREAD) do Đại học Chicago và phòng Fermilab của Bộ Năng lượng Mỹ phát triển vẫn chưa tìm ra các hạt vật chất tối. Tuy nhiên, các kết quả mới thu được cũng đặt ra một số đặc điểm ràng buộc chặt chẽ hơn trong việc khoanh vùng giúp các nhà khoa học có thể săn lùng những hạt như vậy. Bản thân thí nghiệm BREAD cũng đưa ra một phương thức mới thú vị có thể được sử dụng để săn lùng vật chất tối - một phương thức tương đối rẻ tiền và không chiếm nhiều không gian.

BREAD sử dụng cách tiếp cận "băng thông rộng" để tìm kiếm các hạt vật chất tối giả định, được gọi là "axion" và các "photon tối" liên quan đến một tập hợp khả năng lớn hơn so với các thí nghiệm khác, mặc dù có độ chính xác kém hơn một chút.

Nhà khoa học David Miller thuộc Đại học Chicago và đồng chủ nhiệm dự án BREAD, cho biết: “Nếu bạn nghĩ BREAD giống như một chiếc radio, thì việc tìm kiếm vật chất tối cũng giống như điều chỉnh núm xoay để dò một đài phát thanh cụ thể, chỉ khác là chúng tôi có hàng triệu tần số cần kiểm tra. Phương pháp của chúng tôi giống như quét sóng 100.000 đài phát thanh, thay vì dò sóng một số đài một cách tinh chỉnh”.

Vật chất tối là một vấn đề lớn đối với các nhà khoa học. Mặc dù thực tế là nó chiếm khoảng 85% vật chất trong vũ trụ và ảnh hưởng của nó bao trùm vũ trụ khi ngăn cản các thiên hà bay tách xa nhau, nhưng chúng ta không biết vật chất tối được tạo thành từ đâu.

Một phần điều này là do vật chất tối thực sự vô hình; nó dường như không tương tác với ánh sáng, không phát ra hay phản xạ các photon tiêu chuẩn. Sự thiếu tương tác ngay cả ở cấp độ điện từ đó cho thấy rằng vật chất tối không gồm các proton, neutron và electron tạo nên “vật chất bình thường” như các ngôi sao, hành tinh, mặt trăng, cơ thể chúng ta hay con mèo bên cạnh bạn (sở dĩ dùng con mèo vì mèo là loài thường được nhắc đến khi nói về thuyết bất định trong cơ học lượng tử).

Mặc dù kính thiên văn của chúng ta không thể phát hiện vật chất tối một cách trực tiếp nhưng thứ vật chất bí ẩn này thể hiện sự tồn tại gián tiếp thông qua ảnh hưởng đến các ngôi sao, thiên hà và thậm chí cả ánh sáng bằng lực hấp dẫn tương tác. Vì vậy, các nhà thiên văn học có thể nói rằng có thứ gì đó ở đó tồn tại mà không biết nó là gì nên gọi đó là "vật chất tối". Tất nhiên, biết những gì cần tìm và chính xác nơi để tìm lại là một vấn đề khác.

Miller nói: “Chúng tôi rất tự tin rằng có thứ gì đó ở đó, nhưng có rất nhiều hình thái có thể xảy ra”. Điều này đã thúc đẩy các nhà khoa học săn lùng các hạt khác nhau có đặc tính kỳ lạ có thể chứa vật chất tối. Một ứng cử viên như vậy là axion, một hạt giả định có khối lượng cực nhỏ. Nếu các axion tồn tại, chúng có thể tương tác với hạt gọi là photon tối giống như vật chất hàng ngày tương tác với các photon “thông thường”. Sự tương tác này đôi khi có thể thúc đẩy việc tạo ra một photon khả kiến trong một số trường hợp nhất định.

Thiết bị chính trong BREAD là ăng-ten đĩa đồng trục có dạng ống kim loại cong có thể đặt vừa trên mặt bàn. Thiết bị được thiết kế để bắt các photon và đưa chúng tới một cảm biến ở một đầu để tìm kiếm các axion có thể tồn tại.

Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy BREAD có độ nhạy cao trong dải tần số mà nhóm đã thiết kế để thăm dò. Nhà nghiên cứu Fermilab Andrew Sonnenschein và là đồng chủ nhiệm BREAD cho biết: “Đây chỉ là bước đầu tiên trong một loạt các thí nghiệm thú vị mà chúng tôi đang lên kế hoạch. Chúng tôi có nhiều ý tưởng để cải thiện độ nhạy của việc tìm kiếm axion”.

Một thí nghiệm nhỏ để giải quyết vấn đề lớn

Cuộc thử nghiệm cũng chứng minh rằng lĩnh vực vật lý hạt (Vật lý hạt là một ngành của vật lý nghiên cứu về các hạt sơ cấp chứa trong vật chất và bức xạ, cùng với những tương tác giữa chúng. Nó còn được gọi là vật lý năng lượng cao bởi vì rất nhiều hạt trong số đó không xuất hiện ở điều kiện môi trường tự nhiên, mà chỉ được tạo ra hay phát hiện trong các vụ va chạm giữa các hạt, nhờ các máy gia tốc) có thể được thực hiện trên mặt bàn cũng giống như ở trong các máy gia tốc hạt khổng lồ như Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC), dài 27 km phía dưới biên giới giữa Pháp và Thụy Sĩ.

Stefan Knirck, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của Fermilab, người khởi xướng việc phát triển và xây dựng BREAD, cho biết: “Kết quả này là một cột mốc quan trọng cho ý tưởng của chúng tôi, lần đầu tiên thể hiện sức mạnh trong phương pháp tiếp cận của chúng tôi. Thật tuyệt vời khi thực hiện loại khoa học sáng tạo ở quy mô trên bàn thí nghiệm, trong đó một nhóm nhỏ có thể làm mọi thứ từ xây dựng thí nghiệm đến phân tích dữ liệu nhưng vẫn có tác động lớn đến vật lý hạt hiện đại”.

Cần nhớ, thí nghiệm này chỉ tiến hành tại Đại học Chicago trong một tháng nhưng cung cấp một số dữ liệu thú vị, kích thích sự khao khát của nhóm đối với thí nghiệm quy mô đầy đủ. Thí nghiệm BREAD quy mô đầy đủ sẽ đặt thiết bị nằm trong một từ trường mạnh mà nhóm nghiên cứu cho biết sẽ làm tăng cơ hội chuyển đổi axion thành photon. Giai đoạn tiếp theo của thí nghiệm BREAD, thiết bị sẽ được vận chuyển đến cơ sở nam châm tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne.

Miller kết luận: “Vẫn còn rất nhiều câu hỏi mở trong khoa học và một không gian rộng lớn cho những ý tưởng sáng tạo mới nhằm giải quyết những câu hỏi đó. Tôi nghĩ đây là một ví dụ điển hình thực sự về những loại ý tưởng sáng tạo đó mà trong trường hợp này là sự hợp tác có hiệu quả, hợp tác giữa khoa học quy mô nhỏ hơn tại các trường đại học và khoa học quy mô lớn hơn tại các phòng thí nghiệm quốc gia".