Cuộc săn lùng vật chất tối: Khi công nghệ vượt qua giới hạn của vật lý

Dưới dãy núi Apennine ở Ý, dưới núi Jinping ở Tứ Xuyên, Trung Quốc, và ở đáy một mỏ khai thác tại Nam Dakota, Hoa Kỳ, một cuộc săn lùng vũ trụ đang diễn ra âm thầm. Cách ly sâu dưới những lớp đá chắn chắn khổng lồ, các máy dò khổng lồ chứa đầy xenon lỏng nhằm mục đích phát hiện trực tiếp lần đầu tiên vật chất tối — loại vật chất vô hình đã định hình vũ trụ của chúng ta nhờ lực hấp dẫn.

Máy dò vật chất tối dưới lòng đất

Hy vọng rằng someday, một hạt vật chất tối gọi là WIMP (hạt khối lượng lớn tương tác yếu) sẽ va chạm với nguyên tử xenon, tạo ra một vụ nổ ánh sáng và điện tích. Tuy nhiên, sau nhiều năm vận hành, các thí nghiệm này gần đây bắt đầu ghi nhận những tín hiệu hiếm hoi từ một hạt trôi lơ lửng qua vật chất thường cho đến khi nó đâm vào máy dò. Đáng tiếc thay, tín hiệu mới này không phải do vật chất tối tạo ra. Thay vào đó, các máy dò đang bắt được thứ gì đó vô hình nhưng bình thường hơn nhiều: neutrino — các hạt hạ nguyên tử siêu nhẹ mà Mặt trời và các ngôi sao khác sản xuất với số lượng khổng lồ.

Sương mù neutrino và sự thay đổi chiến lược

Sự thất bại của các nhà vật lý trong việc tìm thấy vật chất tối tại những nơi họ mong đợi đã dẫn đến một loạt các đề xuất mới về cách tìm kiếm: cảm biến lượng tử, máy dò dựa trên heli lỏng, tìm kiếm trong khí quyển của Sao Mộc, v.v.

Các nhà vật lý đã biết từ nhiều thập kỷ rằng nền neutrino này tồn tại; họ chỉ hy vọng sẽ phát hiện ra vật chất tối WIMP trước đó. Giờ đây, cơ hội đó đang trở nên mong manh. Một số máy dò WIMP hiện nay quá lớn và nhạy cảm đến mức chúng đang bước vào cái gọi là "sương mù neutrino" (neutrino fog), nơi các hạt thông thường có khả năng lấn át bất kỳ tín hiệu nào từ mục tiêu chính. Không có lớp chắn nào có thể bảo vệ các máy dò này khỏi neutrino, thứ dễ dàng lọt qua cả Trái Đất. Điều đó có nghĩa là thí nghiệm tiếp theo sử dụng phương pháp lâu đời này để tìm kiếm vật chất tối WIMP có thể sẽ là thí nghiệm cuối cùng.

Tuy nhiên, việc va phải sương mù neutrino không đồng nghĩa với việc chấm dứt cuộc tìm kiếm vật chất tối. Các nhà nghiên cứu chỉ cần chuyển trọng tâm của cuộc săn lùng.

"Chúng tôi chưa thấy vật chất tối WIMP," nói Kathryn Zurek, một nhà vật lý lý thuyết hạt tại Viện Công nghệ California. Bà cũng cho biết các nhà khoa học cũng chưa tìm thấy hạt mới trong Máy va chạm Hadron Lớn (LHC). "Vì vậy, mọi người tự nhiên mở rộng phạm vi tìm kiếm của mình," Zurek nói.

Cuộc cách mạng thầm lặng của công nghệ dò tìm

Khi vật chất tối tiếp tục lẩn tránh sự phát hiện, các nhà vật lý đã bỏ đi một số mong muốn lý thuyết trước đây của họ. Các ứng cử viên hiện đại không cần sự tiện lợi của WIMP hay sự đơn giản tinh tế của axion; chúng chỉ cần đáp ứng các yêu cầu để trở thành vật chất tối.

Thí nghiệm PandaX-4T ở Trung Quốc

Nhiều nhà vật lý hiện quan tâm nhất đến lựa chọn nhẹ nhất: axion. Giống như WIMP, axion lần đầu tiên xuất hiện như một giải pháp cho các vấn đề của Mô hình Chuẩn, cụ thể là câu hỏi chưa được giải quyết về lực hạt nhân mạnh. Axion sẽ dồi dào và tương tác ít với vật chất thường, hai đặc tính cần thiết cho vật chất tối.

Việc phát hiện axion không hề dễ dàng. Các hạt tinh tế này chỉ mang một chút năng lượng — xấp xỉ một sóng vô tuyến. Điều này khiến chúng không thể cảm nhận được bằng các máy dò hạt truyền thống. Các nhà vật lý đã phát triển các chiến lược họ hy vọng sẽ mang lại kết quả. Một trong những ý tưởng hứa hẹn nhất là sử dụng một buồng siêu lạnh ngập trong từ trường mạnh như một chiếc radio, điều chỉnh nó đến các bước sóng cụ thể. Nếu một axion cộng hưởng, nó có cơ hội biến thành một thứ dễ phát hiện hơn: hạt ánh sáng.

Tầm nhìn xa: Từ tinh thể đến các mặt trăng của Sao Mộc

Các nhà nghiên cứu đã thiết kế các máy dò mới và lắp đặt chúng trong các phòng thí nghiệm dưới lòng đất trên khắp thế giới — thường ngay bên cạnh những tiền bối tìm kiếm WIMP của chúng. Một số máy móc mới này tìm kiếm bằng chứng cho thấy các hạt đã va chạm với electron và ion hóa chúng. Những cái khác nhìn sâu vào các tinh thể mà mạng lưới của chúng nên rung lên nhẹ nhàng sau một cú va chạm từ hạt như vậy. Thậm chí còn có các nguyên mẫu tìm kiếm manh mối trong heli lỏng, một siêu lưu thể nhạy cảm nên văng tung tóe khi bị vật chất tối va phải.

Tuy nhiên, thách thức lớn nhất là tiếng ồn. Trong khi tất cả các thí nghiệm phát hiện vật chất tối đều bị cản trở bởi tiếng ồn từ thế giới bên ngoài, các tìm kiếm khối lượng thấp cũng chịu đựng sự ồn ào vốn có của môi trường máy dò.

Nơi săn lùng vật chất tối còn mở rộng ra ngoài bề mặt Trái Đất. Một số nhà nghiên cứu đã đề xuất chúng ta nên tìm kiếm thứ này không phải trong các phòng thí nghiệm dưới lòng đất mà trên các hành tinh, ngôi sao và mặt trăng. Nếu các hạt vật chất tối đôi khi hủy diệt lẫn nhau khi gặp nhau, chúng có thể ion hóa hydro trong khí quyển của một hành tinh, tạo ra cực tử ngoại nhìn thấy được từ không gian.

Một đề xuất đặc biệt gợi cảm là nhìn vào đại dương băng của mặt trăng Ganymede của Sao Mộc. Nếu vật chất tối thực sự rất nặng — có thể là một lỗ đen nguyên thủy — nó có thể đâm xuyên qua bề mặt và để lại một miệng núi lửa trông rất khác với miệng núi lửa do thiên thạch gây ra.

Kết luận: Một cuộc đua marathon

Cuộc tìm kiếm này không phải là dự án "năm sau" hay "5 năm tới". Các công nghệ vật lý hiện có đơn giản là chưa đủ nhạy cảm để tìm kiếm các tương tác hấp dẫn này. Zurek đang nghĩ đến dài hạn. Thực sự là dài hạn. "Nó sẽ mất hàng thập kỷ, có lẽ khoảng 100 năm," bà thừa nhận. "Có thể đó không phải là điều tôi sẽ thấy được trong đời mình."

Hiện tại, quy mô của vấn đề có vẻ đáng sợ, đặc biệt khi so sánh với những vấn đề mà các nhà vật lý hạt đã giải quyết trong quá khứ. Vật chất tối, ngược lại, vẫn là một bí ẩn gần như hoàn toàn. Với nhiều ẩn số như vậy, thành công còn xa vời, và các nhà nghiên cứu không có ảo tưởng.

"Không có khám phá nào được đảm bảo. Bạn có thể đang lãng phí thời gian của mình hoàn toàn," Essig nói.

Không điều nào trong số này làm ông hay những người khác nản lòng. "Đó chỉ là bản chất của vấn đề. Chúng ta phải tìm kiếm khắp nơi và khám phá nhiều thứ," Essig nói. "Nếu bạn không thích nó, hãy làm việc gì đó khác."