Vật chất tối và LUX-ZEPLIN (LZ)

Việc tìm ra bản chất của vật chất tối, chất vô hình tạo nên phần lớn khối lượng trong vũ trụ của chúng ta, là một trong những câu đố lớn nhất trong vật lý. Kết quả mới từ máy dò vật chất tối nhạy nhất thế giới, LUX-ZEPLIN (LZ), đã thu hẹp khả năng tìm kiếm một trong những ứng cử viên vật chất tối hàng đầu: các hạt có khối lượng tương tác yếu, hay WIMP.

LZ thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng Mỹ đã săn lùng vật chất tối từ một hang động sâu gần một dặm dưới lòng đất tại Cơ sở nghiên cứu ngầm Sanford ở Nam Dakota. Các kết quả mới của thí nghiệm khám phá các tương tác vật chất tối yếu hơn bao giờ hết và khoanh vùng hơn nữa những gì có thể là WIMP.

Thành tựu và hạn chế của LZ

Chamkaur Ghag, trưởng vận hành LZ và là giáo sư tại University College London (UCL) cho biết: “Đây là những khoanh vùng mới nhất trên thế giới với phạm vi được thu hẹp đáng kể trong việc tìm vật chất tối và WIMP”. Ông lưu ý rằng các kỹ thuật phân tích và máy dò đang hoạt động thậm chí còn tốt hơn cả mong đợi của sự hợp tác. “Nếu WIMP nằm trong khu vực chúng tôi tìm kiếm, chúng tôi đã có thể nói một cách chắc chắn về chúng. Chúng tôi biết rằng công cụ đủ nhạy để xem liệu chúng có tồn tại ở đó hay không trong quá trình tìm kiếm các năng lượng thấp hơn”.

Sự hợp tác không tìm thấy bằng chứng nào về WIMP có năng lượng trên 9 gigaelectronvolt/c2 (GeV/c2). (Để so sánh, nănglượng của một proton nhỏ hơn một chút so với 1 GeV/c2.) Độ nhạy của thí nghiệm đối với các tương tác yếu giúp các nhà nghiên cứu bỏ qua các mô hình vật chất tối WIMP tiềm năng không phù hợp với dữ liệu, để tập trung vào giả thuyết khả quan hơn. Các kết quả mới đã được trình bày tại hai hội nghị vật lý vào ngày 26.8: TeV Particle Astrophysics 2024 tại Chicago, Mỹ và LIDINE 2024 tại São Paulo, Brazil.

Đi sâu vào Phương pháp thử nghiệm của LZ

Các kết quả phân tích dữ liệu của 280 ngày: một tập hợp mới gồm 220 ngày (thu thập từ tháng 3.2023 đến tháng 4.2024) kết hợp với 60 ngày trước đó từ lần đầu tiên LZ chạy. Thí nghiệm có kế hoạch thu thập dữ liệu của 1.000 ngày trước khi kết thúc vào năm 2028.

Scott Kravitz, phó đội vận hành LZ và là giáo sư tại Đại học Texas ở Austin so sánh: “Nếu bạn nghĩ về việc tìm kiếm vật chất tối giống như tìm kiếm kho báu bị chôn vùi, chúng tôi đã đào sâu hơn gần gấp 5 lần so với bất kỳ ai khác trong quá khứ. Để đào sâu thế, bạn không thể làm với một triệu chiếc xẻng mà bạn cần làm điều đó bằng cách phát minh ra một công cụ mới”.

Những cải tiến và kỹ thuật trong phát hiện vật chất tối

Độ nhạy của LZ đến từ vô số cách mà máy dò có thể giảm bớt nhiễu nền, các tín hiệu sai có thể gây ngộ nhận hoặc che mờ tương tác vật chất tối. Nhờ đặt sâu dưới lòng đất, máy dò được bảo vệ khỏi các tia vũ trụ đến từ không gian. Để giảm bức xạ tự nhiên từ các vật thể hàng ngày, LZ được chế tạo từ hàng nghìn bộ phận siêu sạch, bức xạ thấp. Máy dò được chế tạo giống như một củ hành tây, với mỗi lớp chặn bức xạ bên ngoài để loại trừ các hạt bắt chước tương tác vật chất tối. Và các kỹ thuật phân tích mới tinh vi giúp loại trừ các tương tác nền, đặc biệt là các tương tác từ thủ phạm phổ biến nhất: radon.

Kết quả này cũng là lần đầu tiên LZ áp dụng "muối" - một kỹ thuật thêm các tín hiệu WIMP giả trong quá trình thu thập dữ liệu. Bằng cách ngụy trang dữ liệu thực cho đến khi "hủy muối" ở phần cuối, các nhà nghiên cứu có thể tránh được sự thiên vị vô thức và tránh ảo tưởng hoặc thay đổi phân tích của họ.

Scott Haselschwardt, thành viên đội vận hành LZ và hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Michigan, cho biết: “Chúng ta đang ở ngưỡng cửa bước vào lĩnh vực tìm kiếm vật chất tối mà con người chưa từng có mặt trước đây. Con người có xu hướng muốn nhìn thấy các mô phỏng trong dữ liệu, vì vậy, điều thực sự quan trọng khi bạn bước vào lĩnh vực mới này là không có sự thiên vị nào. Nếu đã khám phá, ai cũng muốn khám phá đúng hướng”.

Tầm quan trọng của Vật chất tối

Vật chất tối, được đặt tên như vậy vì nó không phát ra, phản xạ hoặc hấp thụ ánh sáng. Vật chất tối ước tính chiếm 85% khối lượng trong vũ trụ nhưng chưa bao giờ được phát hiện trực tiếp, mặc dù nó đã để lại dấu ấn trên nhiều quan sát thiên văn. Chúng ta sẽ không tồn tại nếu không có mảnh ghé bí ẩn nhưng cơ bản này của vũ trụ; khối lượng của vật chất tối góp phần vào lực hấp dẫn giúp các thiên hà hình thành và tồn tại cùng nhau.

LZ sử dụng 10 tấn xenon lỏng để làm vật liệu trong suốt, dày đặc cho các hạt vật chất tối có khả năng va chạm. Họ đặt hy vọng là một WIMP sẽ va vào hạt nhân xenon, khiến nó di chuyển, giống như va chạm bi trong trò chơi bi-a. Bằng cách thu thập ánh sáng và electron phát ra trong quá trình tương tác, LZ thu được các tín hiệu từ WIMP tiềm năng cùng với các dữ liệu khác.

Amy Cottle, người đứng đầu chiến dịch tìm kiếm WIMP và là trợ lý giáo sư tại UCL cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh được sức mạnh của mình như một cỗ máy tìm kiếm WIMP và chúng tôi sẽ tiếp tục hoạt động ngày càng tốt hơn. Thế nhưng, vẫn còn nhiều việc khác mà chúng tôi có thể làm với LZ.

Giai đoạn tiếp theo là sử dụng những dữ liệu này để xem xét các quá trình vật lý thú vị và hiếm gặp khác, như sự phân rã hiếm gặp của các nguyên tử xenon, sự phân rã beta kép không có neutrino, neutrino boron-8 từ mặt trời và các quá trình vật lý khác ngoài Mô hình chuẩn. Do vậy, việc thăm dò một số mô hình vật chất tối làn này rất thú vị mà trong 20 năm qua, chúng ta không thể tiếp cận được”.

Hướng đi trong tương lai và nỗ lực hợp tác

LZ là sự hợp tác của khoảng 250 nhà khoa học và kỹ sư từ 38 tổ chức tại Mỹ, Anh, Bồ Đào Nha, Thụy Sĩ, Hàn Quốc và Úc; phần lớn công việc xây dựng, vận hành và phân tích thí nghiệm lập kỷ lục này được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu đầu ngành. Sự hợp tác này được kỳ vọng sẽ phân tích tập dữ liệu tiếp theo và sử dụng các thủ thuật phân tích mới để tìm kiếm vật chất tối có khối lượng thậm chí còn thấp hơn. Các nhà khoa học cũng đang cân nhắc các nâng cấp tiềm năng để cải thiện LZ hơn nữa và lập kế hoạch cho máy dò vật chất tối thế hệ tiếp theo có tên gọi là XLZD.

Kravitz cho biết “Khả năng tìm kiếm vật chất tối của chúng ta đang được cải thiện với tốc độ nhanh hơn cả Định luật Moore. Nếu bạn nhìn vào đường cong hàm mũ, mọi thứ trước đây đều không là gì cả. Hãy chờ xem điều gì sẽ đến tiếp theo”.

Anh Tú