Đài quan sát Big Bang đứng đầu danh sách các dự án vật lý lớn của Mỹ
Các dự án nghiên cứu về vật chất tối, hạt neutrino, hạt Higgs boson ở quy mô chưa từng thấy trước đây sẽ có trong danh sách này. Và dĩ nhiên là đài quan sát Bigbang.
Mỹ sẽ tài trợ cho những dự án được đề xuất ở quy mô vô cùng lớn ở năm lĩnh vuwcjc của vật lý năng lượng cao, một ủy ban các nhà khoa học mới kết luận.
Đứng đầu danh sách này là dự án Bức xạ nền vi sóng vũ trụ giai đoạn 4, hoặc ngắn gọn là CMB-S4, vốn bao gồm một dãy 12 kính thiên văn vô tuyến phân bố giữa sa mạc Atacama, Chile và Nam Cực. Mục tiêu của nó là tìm kiếm bằng chứng gián tiếp về các quá trình vật lý ở thời khắc ngay sau Big Bang mà đến nay vẫn chỉ được biết dựa trên các suy luận.
Những thực nghiệm được ưu tiên nhất để nghiên cứu về các hạt cơ bản gọi là hạt neutrino, cả về nguồn gốc vật lý thiên văn và những hạt được tạo ra trong phòng thí nghiệm; máy dò vật chất tối lớn nhất từng được biết đến; và sự tham gia của Mỹ trong máy gia tốc hạt tương lai – được xây ở một quốc gia khác – để nghiên cứu hạt Higgs boson.
Một nhóm nghiên cứu đặc biệt, Ủy ban Ưu tiên dự án vật lý hạt (P5), đã trình bày các khuyến nghị vào ngày 7/12 vừa qua. Ủy ban này, vốn được hình thành khoảng một thập kỷ, đã đưa ra những đề xuất cho hai cơ quan quan trọng chuyên tài trợ cho nghiên cứu vật lý năng lượng cao của Mỹ, Bộ Năng lượng (DOE) và Quỹ Khoa học quốc gia Mỹ (NSF).
Thêm vào năm khuyến nghị chính, báo cáo cho biết Mỹ có thể bắt đầu khởi động một chương trình để chứng minh tính khả thi của hai dạng máy gia tốc hạt hoàn toàn mới, theo sau mối quan tâm đang ngày một gia tăng của cộng đồng vật lý hạt 1. Ủy ban P5 cũng tán thành các dự án ở quy mô nhỏ hơn nhưng đề xuất tập trung nhất của họ là tài trợ liên tục cho các thực nghiệm hiện đang diễn ra hoặc đang được xây dựng. Các dự án đó là sự cập nhất quan trọng của LHC, sẽ giữ cho máy gia tốc này hoạt động đến những năm 2030.
Các ưu tiên của P5 đã được lựa chọn từ các đề xuất được cộng đồng nghiên cứu trình bày tại hội nghị Snowmass 2 vào năm ngoái ở Seattle, Washington. Có sự cân bằng giữa các mức tài trợ thực tế, theo Hitoshi Murayama, nhà vật lý tại đại học California, Berkeley, và là chủ tịch của P5.
DOE hay NSF phải thông qua các dự án mới mà nguồn tiền sẽ từ Quốc hội Mỹ, và trong một số trường hợp là từ chính phủ. Về mặt lịch sử, bản chất hình thành của P5 đã làm tăng thêm sự tín nhiệm với các đề xuất của cộng đồng khoa học và đã giúp cho nhiều ưu tiên trước đây thành công.
Nature khám phá năm đề xuất hàng đầu, do P5 xếp hạng dựa trên tầm quan trọng cũng như sự thảo luận của họ về các máy gia tốc tương lai.
Những cuộn sóng từ Big Bang
Mục tiêu của CMB-S4 là để nghiên cứu về bức xạ được tạo ra khoảng 380.000 năm sau Big Bang, khi vũ trụ – sau đó gần như là một nồi canh bất biến của các hạt – chuyển pha từ plasma sang khí. Các ăng ten vi sóng sẽ đo đạc độ phân cực của CMB – một góc tham chiếu mà tại đó điện trường của bức xạ dao động khi chúng chạm trái đất – khắp một phần lớn của bầu trời. Các nhà vật lý hy vọng là bản đồ phân cực có được sẽ tiết lộ một mẫu hình mang đặc trưng của sóng hấp dẫn đã làm nhiễu loạn không thời gian kể từ giây đầu tiên sau Big Bang. Trong khi CMB là bức điện từ cổ nhất có thể dò được, sự phân cực của nó có thể đem lại một cửa sổ nhìn vào những khoảnh khắc còn sớm hơn nữa của vũ trụ.
Các thực nghiệm lớn trên thế giới đã nô lực tìm các sóng hấp dẫn ban sơ trong sự phân cực CMB, bao gồm kính thiên văn vũ trụ châu Âu Planck và kính thiên văn BICEP2 tại Nam Cực. Và tại sa mạc Atacama, các nhà thiên văn đang xây dựng một dãy những đĩa đặc biệt mang tên Đài quan sát Simons, sẽ hoàn tất vào giữa năm 2024. Các nhà nghiên cứu coi CMB-S4 như phiên bản lớn hơn của Đài quan sát Simons, dự kiến sẽ bắt đầu được sử dụng vào giữa những năm 2030.
Cú đúp DUNE
Thực nghiệm Neutrino dưới lòng đất (DUNE) là một thực nghiệm đang được xây dựng và được chờ đợi sẽ hoàn thành vào đầu những năm 2030. Nhưng P5 đang thúc đẩy tiến trình này.
DUNE sẽ gồm hai địa điểm, Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia Fermi (DOE) ở bên ngoài Chicago và Cơ sở nghiên cứu dưới lòng đất Sanford ở Lead, South Dakota. Một máy gia tốc tại Fermilab sẽ tạo ra một chùm tia neutrino và bắn vào một đường thẳng xuyên qua vỏ trái đất, và sẽ tái xuất hiện ở cách đó gần 1.300 km.
Ưu tiên trước đó của P5, sẽ bắt đầu vào năm 2014, đặt dự án DUNE 1,9 tỷ USD lên hàng đầu những ưu tiên của các dự án mới. Việc xây dựng kể từ đó đã có những trì hoãn lớn và đội chi phí, khiến DOE phải giảm tới gần một nửa kích thước máy dò ở Dakota. Ngay cả với phiên bản quy giản này thì dự án cũng được cho là vượt qua con số 3 tỉ USD.
Nhưng trường hợp khoa học của DUNE vẫn còn nhiều điều vô cùng hấp dẫn, nhiều nhà vật lý nghĩ vậy. P5 hiện đang ủng hộ pha hai sẽ thúc đẩy máy dò đến kích thước nguyên bản của nó và cả việc nâng cấp tại Fermilab sẽ khiến cho cường độ của chùm tia neutrino tăng lên gấp 10.
Một công xưởng hạt Higgs bosons
LHC đã loan báo khám phá ra hạt Higgs boson – một hạt được cho là trao cho hạt khác khối lượng của mình – vào năm 2012. Đó là hạt mới nhất được tìm thấy giữa các hạt được dự đoán bằng Mô hình chuẩn của vật lý hạt. Nhưng dẫu vậy thì hạt Higgs vẫn còn nhiều bí ẩn. Các nhà vật lý đã đề xuất nhiều thiết kế các máy gia tốc có thể tạo ra số lượng cực lớn các hạt Higgs bosons và cho phép có được những đo đạc chính xác tương tác của chúng với những hạt khác. Các nghiên cứu này sẽ chỉ ra những thay đổi có thể với Mô hình chuẩn hoặc có lẽ là một lý thuyết hoàn toàn mới thay thế nó.
Có hai đề xuất đáng chú ý cho một công xưởng Higgs. Một là Vành va chạm tuyến tính quốc tế, có lẽ được dẫn dắt và có vị trí tại Nhật Bản. Hai là một vành va chạm tuần hoàn dài khoảng 90 km mà CERN hy vọng sẽ xây dựng ngay cạnh LHC (một nghiên cứu khả thi chi tiết đang được xây dựng). Nhưng cả hai dự án này có thể được thực hiện với công nghệ hiện hành, theo báo cáo của P5, và nếu một trong số chúng được xây dựng, Mỹ phải có phần đóng góp quan trọng cho nó cũng như từng làm với LHC (Trung Quốc đang phát triển thiết kế của chính mình cho một công xưởng Higgs tuần hoàn ở quy mô lớn).
Từ cuối cho các hạt nặng tương tác yếu
Nhiều thực nghiệm đã nỗ lực dò gió và vật chất tối thổi qua hệ mặt trời nhưng chưa thành công. Ý tưởng này dựa trên các hạt năng tương tác yếu được giả thuyết (WIMPs) phải va chạm thường xuyên với các nguyên tử trong một máy dò và phát ra những chùm năng lượng tồn tại trong giây lát.
Báo cáo của P5 cho thấy, nghiên cứu này phải được tiến hành với một máy dò quy mô lớn để có thể tìm thấy kết quả và rút ra được kết luận, và các cơ quan của Mỹ phải tài trợ cho một thực nghiệm.
Một cách tiếp cận để dò WIMP, sử dụng xenon lỏng, đã trở thành một ứng viên mạnh nhất khi các nhà nghiên cứu từng thiết kế và lắp đặt các máy dò với quy mô lớn hơn và lượng xenon sử dụng nhiều hơn, giờ đã đạt tới 10 tấn. Nó có thể loại đi một phạm vi rộng các tương tác hạt trong một lần dò để tìm WIMP nhưng các nhà nghiên cứu cho rằng khám phá đầy đủ các khả năng tồn tại của WIMP sẽ cần tới 50 tấn.
Với bất cứ độ nhạy nào cao hơn, nhiều thực nghiệm sẽ bắt đầu nếm trải nhiều thứ, từ các loại nhiễu, từ các hạt neutrino, Murayama nói với Nature. “Theo nhiều nghĩa thì đó là thực nghiệm cuối cùng bởi vì một khi các hạt neutrino trở thành vấn đề đáng kể thì chúng tôi sẽ phải bắt đầu nghĩ đến vấn đề tiếp theo là gì”.
Một khúc băng lớn hơn nhiều
IceCube là đài quan sát dò những cơn mưa hạt tuôn qua tấm băng sâu 3km tại Nam Cực mỗi khi một va chạm neutrino năng lượng cao với một nguyên tử trong tảng băng hoặc trong lớp vỏ trái đất. Các máy dò siêu nhạy sẽ bắt được các chùm ánh sáng tạo ra khi các hạt xuyên qua 1 km3 băng.
IceCube đã ghi nhận được vô số phát hiện: giữa chúng là các hạt neutrino năng lượng siêu cao đầu tiên; hạt neutrino đầu tiên từ nguồn phát xa xôi, và bản đồ neutrino đầu tiên của dải Ngân hà.
Báo cáo P5 xác nhận IceCube-Gen2 – một thể tích băng mà các nhà nghiên cứu có thể giám sát, lớn gấp 10, khoảng 10 km3 – với một sự gia tăng so với số lượng các hạt neutrino mà họ có thể chạm đến. Ngân sách 350 triệu USD để nâng cấp có thể làm gia tăng các chủ đề nghiên cứu về neutrino và có thể nhận diện một cách rõ ràng nguồn phát của các hạt giàu năng lượng bậc nhất này.
Các máy gia tốc tương lai
Ủy ban đề xuất một vành va chạm có thể cho các hạt muon va chạm với nhau. Muon là các hạt tương tự với electron nhưng nặng hơn 207 lần 3. Các nhà vật lý nói vẫn chưa rõ là liệu có một cỗ máy như vậy có thể được xây dựng hay không nhưng ủy ban đề xuất nâng cấp nghiên cứu và phát triển nó với mục đích xây dựng một vành va chạm có thể kiểm chứng tính khả thi.
“Chúng tôi không rõ là liệu có thể xây dựng được một vành va chạm muon hay không nhưng việc cùng làm việc với nhau về nó cũng đem lại nhiều tưởng thưởng”, Murayama nói lại buổi họp báo công bố báo cáo.
Các cơ quan của chính phủ Mỹ phải thúc đẩy nghiên cứu dựa trên một công nghệ có thể gia tốc các electron bằng plasma, và dựa trên nam châm tiên tiến bởi các máy gia tốc truyền thống hơn. “Chúng tôi không cấm bất kỳ ý tưởng nào trong giai đoạn này nhưng có thể là có ba đề xuất đang được xem xét một cách cẩn trọng”, Murayama nói với Nature.
Ủy ban đang xem xét việc gửi một thông điệp thể hiện quan điểm rõ ràng tới CERN. Phòng thí nghiệm này sẽ là một đối tác bắt buộc trong bất kỳ dự án máy gia tốc lớn hàng tỉ USD trong tương lai. Những người đứng đầu CERN nói có một ưu tiên cho cái sẽ là phiên bản lớn hơn của LHC, hiện là máy gia tốc có cường độ cao nhất thế giới. Nhưng nhiều người trong cộng đồng vật lý hạt nói phòng thí nghiệm này phải không đặt bất cứ giới hạn lên các ý tưởng của nó.
Thanh Phương tổng hợp
Nguồn: doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-03944-0
————————————–
1.https://www.nature.com/articles/d41586-022-02122-y
2.https://www.nature.com/articles/d41586-022-02122-y
3.https://www.nature.com/articles/d41586-022-02122-y
