Khám phá đầu tiên về vật chất tối
Ngày 3 tháng 4 vừa qua tại Geneva, Nhóm Hợp tác AMS (AMS Collaboration) thuộc Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu CERN đã công bố kết quả nghiên cứu vật lý đầu tiên của họ trong công tác thăm dò tìm kiếm vật chất tối và phản vật chất trong vũ trụ.
Thiết bị AMS do nhiều nước tham gia chế tạo, sau đó lắp ráp tại CERN; cuối cùng được chở sang Mỹ để ngày 16/5/2011 tàu con thoi Endeavour đưa lên vũ trụ. Ba ngày sau, các nhà du hành vũ trụ trên Trạm ISS hoàn tất việc lắp ráp AMS vào trạm này.
AMS là một thí nghiệm vật lý hạt được Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ. Nhóm Hợp tác AMS gồm 600 nhà khoa học, chuyên viên và sinh viên của 16 nước Âu, Á và Bắc Mỹ: Phần Lan, Pháp, Đức, Ý, Hà Lan, Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha, Thụy Sĩ, Romania, Nga, Thổ Nhĩ Kỳ, Trung Quốc, Hàn Quốc, Đài Loan, Mexico và Mỹ. Nhóm này do Samuel Ting (Đinh Triệu Trung, người Mỹ gốc Hoa) đứng đầu. Ông là GS Học viện Công nghệ Massachusetts, đồng chủ nhân Nobel vật lý 1976. Ý, Đức, Pháp, Tây Ban Nha, Trung Quốc, Đài Loan, Thụy Sĩ đã có những cống hiến quan trọng trong dự án nghiên cứu AMS.
S. Ting nói: “Thí nghiệm này sẽ giúp chúng ta đến tận bên rìa vũ trụ để tìm kiếm sự tồn tại của vũ trụ phản vật chất”. Các nhà khoa học cho rằng, do AMS có độ chính xác cao và thống kê được một lượng số liệu cực lớn nên nó có khả năng thăm dò khám phá những hiện tượng vật lý mới.
Trong 18 tháng trên vũ trụ, AMS đã đo được số liệu của 31,1 tỷ tia vũ trụ ở mức năng lượng cỡ nghìn tỷ Vôn điện tử (eV). Lượng tín hiệu đó vượt xa toàn bộ số liệu tia vũ trụ loài người sưu tầm được trong cả thế kỷ XX (3 tỷ). Sau đây mỗi năm AMS sẽ ghi được tín hiệu từ 16 tỷ tia vũ trụ.
Trong thời gian từ 19/5/2011-10/12/2012, AMS đã phân tích được 25 tỷ tia vũ trụ sơ cấp, trong đó xác nhận được 6,8 tỷ electron (điện tử) và phản vật chất (antimatter) của nó – positron (điện tử dương). Hơn 400 nghìn positron do AMS quan trắc được là số lượng nhiều nhất phản vật chất năng lượng cao (từ 0,5 đến 350 GeV) trực tiếp quan trắc được trong vũ trụ.
Nhóm Hợp tác AMS cho rằng từ kết quả thí nghiệm đầu tiên này, có thể thấy positron năng lượng cao không đến từ một hướng cố định nào trong vũ trụ – tức không đến từ các pulsar* trong hệ Ngân hà – đặc tính này thể hiện luận cứ về một hiện tượng vật lý mới: các positron đó có thể được tạo ra khi các hạt vật chất tối (dark matter) va chạm và tiêu diệt nhau. Nghĩa là chúng có thể đến từ các vật chất tối bí ẩn mà loài người săn tìm bao lâu nay. Bởi lẽ nếu đến từ pulsar thì chúng sẽ thể hiện tính phương hướng nhất định. Sau này, khi phân tích các số liệu ở mức năng lượng cao, người ta cuối cùng sẽ xác định được phổ năng lượng ấy rốt cuộc đến từ sự va chạm các hạt vật chất tối hay từ pulsar. Samuel Ting nói: “Chính là mức độ chính xác này cho phép biết được sự quan sát positron hiện nay của chúng ta có nguồn gốc vật chất tối hay là pulsar” “Chúng tôi cần nhiều thống kê hơn để nghiên cứu. Kết luận hiện nay dựa trên số liệu của khoảng một phần 10 lượng số liệu đã thu thập”.
Vật chất tối là một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ cho tới nay loài người chưa giải đáp được. Vật chất tối không phát sáng, tức không phát sóng điện từ, cho nên ta không nhìn thấy. Nhưng cũng như mọi vật chất thông thường khác, chúng có tác dụng lực hấp dẫn. Nhờ hiệu ứng lực hấp dẫn đó mà các nhà khoa học phát hiện vật chất tối chiếm tới 23% vũ trụ, năng lượng tối chiếm 73% vũ trụ, như vậy nghĩa là toàn bộ vật chất thông thường (normal matter) mà chúng ta hiện đã quan sát thấy chỉ chiếm 4% vũ trụ. Vật chất tối là thứ mà GS Ting và AMS đang tìm kiếm. Việc làm sáng tỏ bí ẩn của vật chất tối sẽ giúp các nhà khoa học hiểu được cấu tạo của vũ trụ. Samuel Ting nói: “Vật chất tối là đám mây đen lớn nhất trùm lên vật lý học hiện đại thế kỷ XX và XXI. Nó sẽ báo trước một cuộc cách mạng của vật lý học”.
Trong 80 năm qua, các nhà khoa học đã chứng minh trên lý thuyết sự tồn tại của vật chất tối nhưng họ chưa bao giờ trực tiếp quan sát thấy chúng. Họ đã tìm kiếm vật chất tối trong máy gia tốc thực hiện sự va chạm các hạt ở tốc độ cao cũng như dùng máy thăm dò tìm kiếm chúng dưới đất sâu, nhưng tất cả đều không thành công. Gần đây họ tìm kiếm kết quả các vụ va chạm hiếm hoi của các vật chất tối trong vũ trụ. Nếu các hạt vật chất tối va chạm và hủy diệt nhau thì chúng sẽ để lại dấu vết của các positron – phản vật chất của electron – ở mức năng lượng cao.
Họ đã tìm thấy một số. Song chúng cũng có thể là tín hiệu của các pulsar – Ting thừa nhận.
“Đây là câu chuyện tìm kiếm 80 năm nay và chúng ta đang tiến gần tới kết thúc. Đây là một manh mối có sức thu hút và những kết quả sau đây có được từ AMS sẽ chấm dứt câu chuyện này” – nhà vật lý Michael Turner, một đại gia trong lĩnh vực vật chất tối nói.
Việc thiết kế hệ thống nhiệt của AMS được giao cho trường Đại học Sơn Đông, Trung Quốc. Đây là một bộ phận rất quan trọng của AMS, bởi lẽ biến động nhiệt độ của AMS phải được giữ trong phạm vi 1 độ C, nhưng trong thực tế do sự chuyển động tương đối giữa Trái đất với Mặt trời và do sự tự quay của Trái đất nên nhiệt độ của AMS luôn luôn thay đổi.
Trường Đại học Sơn Đông có nhiệm vụ lãnh đạo việc thiết kế chế tạo, lắp ráp hệ thống nhiệt của AMS. Tổng phụ trách công trình này là GS Trình Lâm (Cheng Lin). Ông nói, cho tới nay hệ thống nhiệt của AMS vẫn hoạt động bình thường nhưng chưa thể dự tính nó có thể làm việc được bao lâu trên trạm ISS. Theo GS Trình, các nhà khoa học tham gia dự án AMS có cơ hội để được tặng giải Nobel vật lý.
—
* Pulsar là một loại Biến tinh (variable star), nó có khối lượng tương đương Mặt trời nhưng đường kính lại chỉ có khoảng 10 km; nó liên tục phát ra các tín hiệu xung điện từ. Pulsar lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1967.
Nguyễn Hải Hoành tổng hợp từ các nguồn :
1) http://www.ams02.org/2013/04/first-results-from-the-alpha magnetic-spectrometer-ams-experiment/
2) http://www.aikenstandard.com/article/20130406/AIK0106/1304096 24/1013/scientists-find-possible-hint-of-dark-matter
3) http://www.guardian.co.uk/science/2013/apr/03/dark-matter-space-station-physics
4) http://pic.uschinapress.com/EleganDemeanor/20130404/45921.html
