Dùng xenon lỏng tinh khiết để tìm các hạt vật chất tối bí ẩn
Một dặm sâu dưới lòng đất trong một mỏ vàng ở Nam Dakota là một cylinder khổng lồ chứa 10 tấn xenon lỏng tinh khiết với sự theo dõi chặt chẽ của 250 nhà khoa học khắp thế giới. Khối chất lỏng xenon này là tâm điểm của thực nghiệm LUX-ZEPLIN (LZ), một nỗ lực dò vật chất tối – vật chất bí ẩn không hiện hữu chiếm tới 85% vật chất trong vũ trụ.
“Người ta đã tìm kiếm vật chất tối trong suốt 30 năm và chưa ai tìm được bằng chứng thuyết phục”, Dan Akerib, giáo sư vật lý hạt và vật lý thiên văn ở Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng Mĩ, nói. Nhưng với sự hỗ trợ của các nhà khoa học và các nhà nghiên cứu khắp thế giới, Akerib và cộng sự đã thiết kế thí nghiệm LZ, một trong những máy dò hạt nhạy bậc nhất hành tinh.
Để đạt tới điểm này, các nhà nghiên cứu ở SLAC đã thiết kế thực nghiệm trên cơ sở hiểu biết tích lũy trong quá trình nghiên cứu về các khí hiếm dạng lỏng – hình thức lỏng của khí hiếm như xenon – bao gồm các kỹ thuật tiên tiến được sử dụng để tinh khiết khí hiếm dạng lỏng và hệ thống dò các tương tác của vật chất tối trong chất lỏng đó. Và theo nhận xét của Akerib, những gì các nhà nghiên cứu đã học hỏi với sự hỗ trợ không chỉ cho cuộc tìm kiếm vật chất tối mà còn cho các thực nghiệm tìm kiếm các quá trình hiếm của vật lý hạt.
“Có những bí ẩn sâu sắc trong lòng tự nhiên và việc hợp lưu đồng thời của những hiểu biết ở quy mô rất lớn và rất nhỏ vô cùng thú vị”, Akerib nói. “Chúng ta có thể học hỏi được nhiều thứ hoàn toàn mới về tự nhiên”.
Tìm kiếm vật chất tối dưới lòng đất
Một ứng cử viên hiện nay của vật chất tối là các hạt nặng tương tác yếu (WIMPs). Tuy nhiên, WIMPs về cơ bản hiếm khi tương tác với vật chất thông thường, khiến chúng vô cùng khó dò, bất chấp sự thật là về lý thuyết chúng thường xuyên qua cơ thể chúng ta mọi lúc, mọi nơi.
Để vượt qua thách thức này, thí nghiệm LZ đầu tiên được đặt vào sâu dưới lòng đất trong mỏ vàng cũ Homestake, giờ là Cơ sở nghiên cứu dưới lòng đất Sanford (SURF) tại Lead, Nam Dakota. Ở đó, thực nghiệm được bảo vệ tốt khỏi sự bắn phá của các tia vũ trụ lên bề mặt trái đất – một nguồn nhiễu nền có thể khiến khó chọn ra vật chất tối.
Ngay cả khi đó thì việc tìm kiếm vật chất tối cũng vẫn đòi hỏi một máy dò siêu nhạy. Vì vậy, các nhà khoa học tìm kiếm các loại khí hiếm, thường vô cùng trơ trong tương tác với bất cứ vật chất nào. Điều này có nghĩa có rất ít lựa chọn có thể xảy ra khi một hạt vật chất tối, hay WIMP, tương tác với nguyên tử của khí hiếm và do đó có ít khi các nhà khoa học lại bỏ lỡ một tương tác rất khó để tìm.
Nhưng loại khí hiếm nào? “Xenon là một ứng cử viên tốt cho việc dò vật chất tối”, Akerib nói. Vật chất tối tương tác mạnh nhất với các hạt nhân và tương tác đó trở nên mạnh hơn với khối lượng nguyên tử của các nguyên tử, Akerib giải thích. Ví dụ, các nguyên tử xenon nặng hơn gấp ba lần các nguyên tử argon nhưng chúng chờ đợi có những tương tác với vật chất tối mạnh gấp 10 lần.
Ngoài ra còn có lợi ích khác. “Một khi anh loại bỏ các ô nhiễm khỏi xenon lỏng, bản thân nó sẽ trở nên rất nhạy với sóng radio”, Akerib nói. Nói cách khác, sự phân rã phóng xạ tự nhiên của xenon dường như không giống với cách dò những tương tác giữa WIMPs và nguyên tử xenon.
Chỉ có xenon là hoàn hảo
Cái khó khăn nhất theo Akerib là có được xenon tinh khiết. Tuy nhiên, các khí hiếm tinh khiết lại không sẵn có – sự thật là chúng không tương tác với nhiều chất khác cũng có nghĩa là về tổng thể thật khó phân biệt chúng với chất khác. Và “không may là anh không thể mua được khí hiếm tinh khiết trên kệ hàng”, Akerib nói.
Akerib và đồng nghiệp tại SLAC do đó phải xác định được cách để tinh khiết tất cả các loại xenon lỏng mà họ cần cho máy dò.
Tạp chất chiếm nhiều nhất trong xenon là krypton, loại khí hiếm nhẹ nhất và có một đồng vị phóng xạ, có thể che đi các tương tác mà các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm. Để ngăn krypton khỏi trở thành kryptonite trong máy dò hạt, Akerib và đồng nghiệp của mình đã dành nhiều năm để hoàn thiện một kỹ thuật tinh khiết xenon bằng việc sử dụng cái gọi là sắc ký khí. Ý tưởng cơ bản của nó là phân tách các thành phần trong một hỗn hợp dựa trên các đặc tính hóa học của chúng khi hỗn hợp mang thông qua một số dạng trung gian. Sắc kí khí sử dụng helium như chất khí mang cho hỗn hợp, và than được sử dụng như chất trung gian phân tách.
“Anh có thể nghĩ helium như một bụi cốc bền vững thông qua than”, Akerib giải thích. “Mỗi nguyên tử xenon và krypton đều có lúc bám dính lấy than và có lúc không. Khi các nguyên tử ở trạng thái không gắn kết, bụi cốc helium cuốn chúng vào cột sắc kí”. Các nguyên tử khí hiếm ít gắn kết với vật chất nhỏ hơn chúng, điều đó có nghĩa là krypton ít liên kết hơn xenon, vì vậy nó bị cuốn đi bằng bụi cốc helium không gắn kết. Các nhà nghiên cứu có thể bẫy krypton và loại chúng đi, nhờ đó có lại xenon, Akerib nói. “Chúng tôi làm theo cách như vậy để có 200 cylinder khí xenon – đó quả là một kế hoạch lớn”.
Thí nghiệm LZ không phải là thí nghiệm đầu tiên mà SLAC tham gia trong nỗ lực tìm kiếm thứ vật lý mới với xenon. Thí nghiệm Quan sát Xenon được làm giàu (EXO-200), diễn ra từ năm 2011 đến 2018, cô lập một đồng vị đặc biệt của xenon để tìm kiếm quá trình vô cùng hiếm là phân rã beta kép không giải phóng neutrino. Các kết quả từ thực nghiệm cho thấy quá trình này tuy hiếm xảy ra nhưng đề xuất một cách tìm mới là Next EXO (nEXO) sẽ được tiếp tục với việc sử dụng một máy dò tương tự với cái của LZ.
Một dạng khác biệt của lưới điện
Không có vấn đề gì nếu khí hiếm lỏng được đưa vào máy dò, một hệ dò phức tạp mà các nhà khoa học cần phải có nếu muốn tìm thấy vật chất tối. Phía trên và dưới của cái tháp xenon lỏng của thí nghiệm LZ là những lưới điện cao áp quy mô lớn có thể tạo ra điện trường trong máy dò. Nếu một hạt vật chất tối va chạm với một nguyên tử xenon và bắn ra một vài hạt electron, sẽ có một vài electron tự do từ nguyên tử này và tạo ra một cách riêng biệt một chùm ánh sáng có thể các máy dò quang học phát hiện được, theo giải thích của Ryan Linehan, một nghiên cứu sinh trong nhóm LZ của SLAC có nhiệm vụ phát triển lưới điện cao áp. Điện trường chạy qua máy dò khi lái các electrons qua một lớp mỏng khí tại đỉnh cylinder nơi chúng tạo ra tín hiệu thứ hai. “Chúng tôi có thể sử dụng tín hiệu thứ hai cùng với tín hiệu ban đầu để nghiên cứu thông tin về vị trí, năng lượng, dạng hạt và nhiều hơn thế”, Linehan nói.
Nhưng lưới điện này không phải lưới điện thông thường – chúng chuyên chở dòng điện hàng chục nghìn volts, quá cao khiến bất kỳ hạt vi mô nào hay kính hiển vi điện tử nào hay những mảnh vỡ của lưới điện có thể tương tác tự nhiên mà không loại các electron, Linehan nói. “Và những electron đó có thể tạo ra những tín hiệu giống như các electron có thể đến từ xenon”.
Các nhà nghiên cứu đã bàn bạc về hai cách chính để tối thiểu hóa khả năng tiếp nhận những tín hiệu sai lệch từ lưới điện, Linehan nói. Đầu tiên, họ sử dụng một quá trình hóa học là sự tự động hóa để loại sắt khỏi bề mặt dây điện, để lại một bề mặt giàu chromium có thể giảm thiểu xu hướng của dây phát xạ electron. Thứ hai, để loại các hạt bụi, các nhà nghiên cứu phun lên lưới điện nước khử ion hóa ngay trước khi cài đặt. “Những quá trình đó hợp lại giúp chúng tôi có được lưới điện bền để qua đó có được một dữ liệu sạch”, anh nói.
Nhóm LZ xuất bản những kết quả đầu tiên vào đầu tháng 7, thúc đẩy cuộc tìm kiếm vật chất tối đi xa hơn trước đây. Linehan và Akerib nói họ ấn tượng bởi sự hợp tác toàn cầu của LZ đã đem lại điều này. “Cùng với nhau, chúng ta học hỏi được những điều cơ bản về vũ trụ và bản chất của vật chất”, Akerib nói. “Và chúng tôi mới chỉ bắt đầu”.
Akerib cùng với Maria Elena Monzani, một nhà khoa học hàng đầu tại SLAC và người tham gia phụ trách LZ về tính toán và phần mềm, và Thomas Shutt, người phát ngôn của nhóm hợp tác LZ, dẫn dắt dự án LZ tại SLAC.
Nhàn Vũ tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2022-09-purified-liquid-xenon-mysterious-dark.html
https://www.ilnuovosaggiatore.sif.it/article/272
