Thí nghiệm sâu trong lòng đất có thể giúp tiết lộ về vũ trụ?

[TinNhanh247]

Thí nghiệm vật chất tối XENONnT đòi hỏi một phòng thí nghiệm khổng lồ nằm sâu dưới mặt đất, cùng hàng tấn xenon lỏng và một loạt các buồng đo đạc chính xác.

Khi Michelle Galloway lái xe đi làm, cô sẽ tiến vào đường hầm để đi sâu vào trong một ngọn núi. Ở tận cùng con đường, tại lối vào chính của cơ sở, các lính canh sẽ luôn hỏi cô một mật khẩu bí mật trước khi cho phép đi qua.

"Sau đó, cánh cửa kiểu James Bond này sẽ mở ra trong đá", Galloway, một nhà nghiên cứu cấp cao tại Đại học Zurich, giải thích. "Nó rất tuyệt."

Phía sau cánh cửa đó chính là Phòng thí nghiệm Quốc gia Gran Sasso ở Ý. Nằm cách mặt đất 1.400 mét, đây là phòng thí nghiệm dưới lòng đất lớn nhất thế giới. Và tại một trong những hang động được khoét sâu vào đá của dãy núi Apennine này, có một cỗ máy có thể thay đổi hiểu biết của cả nhân loại về toàn bộ vũ trụ.

Đáy của 'buồng chiếu thời gian' nằm ở tâm của bức ảnh này. Có 120 "con mắt" rải rác xung quanh bên trong buồng giữa này, thu nhận ánh sáng từ các tương tác gây ra bởi các hạt hạ nguyên tử được gọi là neutron.

Galloway và các đồng nghiệp của cô, những người tham gia tiến hành thí nghiệm XENONnT. đều có chung một mục tiêu trong đầu: Tìm hiểu vật chất tối được tạo thành từ gì. Vật chất tối, bất kể nó là gì, là thứ chiếm 85% tổng khối lượng của vũ trụ. Nó bẻ cong ánh sáng và liên kết các thiên hà lại với nhau, ngăn chúng tự tách ra. Chỉ riêng một trong những đặc tính hấp dẫn như vậy cũng đủ để trở thành lý do mà các nhà vật lý muốn biết cách nó tồn tại.

Còn 15% còn lại - mọi thứ khác trong vũ trụ, từ các vành đai của Sao Thổ đến các tế bào niêm mạc dạ dày của bạn - được bao phủ bởi cái gọi là Mô hình Chuẩn, lý thuyết mô tả tất cả các hạt vật chất thiết yếu mà chúng ta đã biết.

Nhưng vật chất tối gây khó khăn cho Mô hình Chuẩn - bởi nó không phù hợp. Một ý tưởng, được gọi là siêu đối xứng, đưa ra là có một loạt các hạt khó phát hiện khác hoạt động như đối tác với những hạt mà chúng ta đã biết. "Nếu chúng tôi tìm thấy một số hỗ trợ cho siêu đối xứng, thì nó sẽ cho chúng tôi một cách để mở rộng Mô hình Chuẩn", Galloway giải thích.

Cô và các đồng nghiệp hy vọng sẽ tìm ra câu trả lời với sự trợ giúp của 8,6 tấn xenon lỏng, một loại khí quý đôi khi được dùng làm thuốc gây mê tổng quát. Galloway nói: "Nó cực kỳ hiếm, vì vậy nó đắt tiền. Lần cuối cùng nhóm mua chúng với giá khoảng 12 euro mỗi lít. Với mức giá đó, 8,6 tấn sẽ có giá khoảng 17 triệu euro - nhưng nó đã được mua lại dần dần và có thể được tái chế."

Khoảng năm tấn xenon, được giữ ở -100 độ C, được bơm vào bên trong buồng nhỏ nhất trong ba buồng của cơ sở này, với các máy dò hiện đại, loại gần đây đã nhận được bản nâng cấp lớn. Ngăn bên trong này được gọi là buồng chiếu thời gian, hoặc TPC. Nó được thiết kế để thu các tín hiệu cực kỳ mờ nhạt của các hạt vật chất tối lướt qua Trái đất. Một hạt "ứng cử viên lý thuyết" mà nhóm hy vọng sẽ phát hiện được gọi là hạt khối lượng tương tác yếu - hay viết tắt là "WIMP". Galloway nói rằng XENONnT đang cố gắng đón một "luồng gió WIMP" bay qua vũ trụ.

Một công nhân đi lại cẩn thận trên sàn của buồng ngoài, trong khi mặc một bộ đồ đặc biệt để tránh làm ô nhiễm thiết bị. Máy dò chính nằm ngoài tấm giấy trắng ở phía trên. Khi hoạt động, toàn bộ không gian này sẽ chứa đầy nước.

Nếu mọi thứ hoạt động như kế hoạch, một WIMP sẽ đi vào TPC hình trụ và tấn công hạt nhân của nguyên tử xenon, khiến một lượng ánh sáng nhỏ thoát ra ngoài. Trong sự kiện "giật lùi nguyên tử" này, một số điện tử cũng sẽ được giải phóng khỏi xenon. Chúng sẽ đi lên đỉnh của TPC và gây ra sự phát ra ánh sáng tiếp theo khi tương tác với một lớp khí xenon.

Vấn đề là, các máy dò ánh sáng được sử dụng trong thí nghiệm có thể thu nhận tất cả các loại tương tác vật lý, bao gồm cả phóng xạ nền, vốn không phải là bằng chứng về vật chất tối. Nhưng bằng cách xác định chính xác vị trí của các sự kiện phát sáng, nhóm nghiên cứu có thể vẽ chính xác nơi chúng xảy ra. Và nếu nhiều tương tác ở mức năng lượng thích hợp đã xảy ra ở trung tâm của TPC, ngay giữa đám xenon lỏng đó, các nhà nghiên cứu có thể tin tưởng rằng những tương tác này là do WIMP tạo ra.

Loại bỏ tiếng ồn là một trong những thách thức lớn của một thử nghiệm như thế này. Xenon phải được làm sạch liên tục, để tách các chất tích tụ tự nhiên trong nó ra khỏi các vật liệu trong máy dò. Hai ngăn bên ngoài (ở hình trên) chứa đầy dung dịch muối đặc biệt làm chậm các hạt đi qua, thứ có thể làm gián đoạn quá trình phát hiện WIMP. Và các thiết bị cảm biến ánh sáng bổ sung trong các ngăn bên ngoài này phát hiện các tương tác không phải WIMP để chúng có thể được giảm bớt. Hãy nghĩ về điều đó giống như cách bạn cố gắng nghe một con chim non kêu khẽ trong một khu rừng đầy gió. Nếu bằng một cách nào đó bạn có thể chặn các tiếng ồn xung quanh và lắng nghe rất cẩn thận, bạn sẽ có cơ hội nghe thấy nó tốt hơn.

Nhưng, có thể vật chất tối không được tạo thành từ WIMP. Nó có thể là một hỗn hợp của các hạt khác nhau, hoặc một cái gì đó hoàn toàn khác. Dẫu vậy, thí nghiệm XENONnT sẽ đưa chúng ta đến gần hơn với câu trả lời, bằng cách này hay cách khác. Ít nhất, toàn bộ dự án là một lời nhắc nhở về việc chúng ta vẫn đang biết rất ít về vũ trụ.

"Ngay cả khi chúng tôi không tìm ra nó là gì trong suốt cả cuộc đời nghiên cứu mình", Galloway nói. "Thì nó vẫn sẽ chỉ cho chúng tôi một góc nhìn nhất định, tôi nghĩ vậy."