Săn vật chất tối dưới lòng đất

Ở sâu hàng km dưới bề mặt trái đất, một số khoáng chất có thể mang những dấu vết về sự va chạm với vật chất tối.

Các khoáng chất như muối mỏ (dạng các tinh thể trong suốt) nằm sâu dưới lớp vỏ trái đất có thể giữ các bằng chứng về những tương tác với vật chất tối. Ảnh: Nature

Các khoáng chất nằm sâu trong lòng trái đất có thể mang những chỉ báo giúp các nhà nghiên cứu theo dấu những cuộc va chạm với vật chất tối – các nhà nghiên cứu cho rằng thư vật chất khó nắm bắt này có thể góp phần tạo lên phần lớn vật chất trong vũ trụ. Các thí nghiệm được thiết kế nhằm tìm những vết tích va chạm này sẽ bổ sung thêm những tri thức hữu ích hoặc thậm chí sẽ tới một thời điểm chúng ta có thể nhận được sự quan tâm không kém so với các nỗ lực nghiên cứu đang được triển khai để dò trực tiếp vật chất tối. 

Nhiều thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã dùng các máy dò tối tân có thể hoạt động sâu dưới mặt đất để tìm kiếm các dấu hiệu của vật chất tối. Hiện tại Katherine Freese – một nhà vật lý tại trường đại học Michigan ở Ann Arbor và đồng nghiệp đã đề xuất ý tưởng: các khoáng chất như halite (sodium chloride) và zabuyelite (lithium carbonate) có thể đóng vai trò như những cảm biến để dò tìm vật chất tối. 

Các nhà thiên văn học có thể dò được ảnh hưởng hấp dẫn của vật chất tối lên chuyển động của các thiên hà và các chùm ngân hà nhưng chưa bao giờ “tóm” được vật chất tối một cách trực tiếp. Cách giải thích về vật chất tối phổ biến hiện nay là nó được tạo ra từ các hạt có khối lượng tương tác yếu (WIMPs), tương tác chủ yếu với các hạt thông thường thông qua lực hấp dẫn.

Những thực nghiệm trên máy dò trực tiếp nhằm tìm ra những kết quả mờ nhạt từ các cuộc va chạm của các hạt WIMP với hạt nhân của các nguyên tử trong các vật chất như germanium, silicon hay sodium iodide bên trong một máy dò.

Nhiều thực nghiệm phải được bố trí sâu dưới lòng đất để che chắn khỏi sự bắn phá của các tia vũ trụ lên bề mặt trái đất. Những tia vũ trụ này có thể va chạm với máy dò các vật liệu và để lại những vết tích, dẫu mờ nhạt nhưng có khả năng che khuất bất kỳ dấu vết tiềm tàng nào của vật chất tối. Chỉ có thực nghiệm DAMA/LIBRA được thực hiện tại Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso ở Italy tuyên bố là dò được vật chất tối nhưng điều này chưa được kiểm chứng. 

Cú đào sâu 

Freese và đồng nghiệp phán đoán là khoáng chất như halite và zabuyelite có mặt trong lòng đất được che chắn khỏi tia vũ trụ. Theo phân tích trên công bố trên arXiv của họ vào tháng 6/2018, nếu một WIMP bị va mạnh vào hạt nhân của một nguyên tử  sodium hoặc chlorine, hạt nhân đó có thể nảy lại, dẫn đến khả năng ăn mòn khoảng từ 1 đến 1.000 nano mét ở bất cứ chỗ nào trên khoáng chất đó.

Một thí nghiệm có thể tách chiết các khoáng chất có độ tuổi khoảng 500 triệu năm từ các lỗ sâu hàng kilo mét sẵn có từ những nghiên cứu địa chất và thăm dò dầu mỏ. Các nhà vật lý có thể cần làm nứt các khoáng chất cần tách chiết này và quét các bề mặt đã được phơi lộ bằng một kính hiển vi lực điện từ hoặc kính hiển vi lực nguyên tử để tìm những vết do hạt nhân dội lại. Họ có thể sử dụng các máy quét 3 D tia tử ngoại hay tia X để nghiên cứu các khoáng chất nhanh hơn, nhưng với độ phân giải thấp hơn.

Các va chạm tiềm năng với các hạt WIMP  sẽ tạo ra những dấu hiệu khác biệt trong mỗi nguyên tố trong mỗi khoáng chất và đồng thời có thể cung cấp những nguồn thông tin khác. Freese giải thích, “Ví dụ sodium chloride chứa cả sodium và chlorine nên mỗi khoáng chất có thể cung cấp nhiều dấu hiệu rất đa dạng. Nếu anh tìm những dấu hiệu xác thực, sau đó có thể miêu tả loại của hạt WIMP trên cơ sở tán xạ của sodium và chlorine.”

Nhận diện lỗi

Ý tưởng này thật thú vị, Dan Hooper – nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia Fermi ở Batavia, Illinois, nhận xét  “Dẫu cần chứng minh thêm nhiều chi tiết trước khi chương trình này diễn ra nhưng tôi không thấy bất cứ nguyên nhân nào có thể khiến nó không thành công, ít nhất về mặt nguyên tắc”. 

Nhưng những nhà nghiên cứu khác, như nhà vật lý Juan Collar của trường đại học Chicago tại Illinois, tỏ ra thận trọng. Vào giữa những năm 1990, các nhà vật lý đã cân nhắc việc dùng khoáng chất mica như bia cho những cuộc tìm kiếm vật chất tối tương tự. Nhưng Collar đã chứng tỏ minh rằng phóng xạ phát ra từ uranium trong các khoáng chất có thể tạo ra những vết không thể phân biệt được với những dấu vết do các hạt WIMP tạo ra. Ông e ngại điều tương tự có thể đến với kế hoạch của Freese nếu nó diễn ra.

“Kết quả này không giới hạn ở mica mà còn ảnh hưởng lên bất cứ loại khoáng chất giàu uranium và thorium tự nhiên nào. Họ có thể đã tìm thấy đúng những khoáng chất có vấn đề này nhưng tôi vẫn nghĩ là họ quá lạc quan khi tuyên bố ngay ở thời điểm này.”

Freese biết rằng cần quan tâm đến uranium, mặc dù vẫn chưa rõ là các khoáng chất mà cô và đồng nghiệp đề xuất có chứa uranium hay thorium hay không. Nhưng cô cho biết thêm, có thể loại bỏ các mẫu hình có vết được sinh ra do phóng xạ. “Sự thật là anh phải thực hiện và tìm được ra chúng”, cô nói. 

Thanh Nhàn dịch

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-018-05660-6