Mặt tối của thời gian: Phương pháp đồng hồ hạt nhân dò vật chất tối bằng thorium-229
Trong gần một thế kỷ, các nhà khoa học khắp thế giới đã kiếm tìm vật chất tối – thứ vật chất ‘vô hình’ được tin là chiếm 80% khối lượng vũ trụ và cần thiết để giải thích nhiều hiện tượng vật lý. Vô số phương pháp đã được sử dụng để dò vật chất tối, từ việc tạo ra các máy gia tốc hạt đến bức xạ vũ trụ có thể phát ra trong vũ trụ.
Cho đến ngày nay, rất ít manh mối về các đặc tính cơ bản của thứ vật chất này. Nó được tin là ảnh hưởng đến vật chất thông thường nhưng theo các cách vô cùng tinh tế mà ngày nay chưa thể đo đạc được trực tiếp.
Các nhà khoa học cho là nếu có một đồng hồ hạt nhân được phát triển – một loại thiết bị sử dụng hạt nhân nguyên tử đo đạc thời gian với độ chính xác cực cao – thì ngay cả những dao động không đều nhỏ nhất trong những tích tắc của nó cũng có thể tiết lộ sự ảnh hưởng của vật chất tối. Năm ngoái, các nhà vật lý Đức và ở Colorado đã tạo ra được một đột phá trên đường xây dựng một đồng hồ sử dụng nguyên tố phóng xạ thorium229.
Khi các nhà khoa học ở nhóm vật lý lý thuyết của giáo sư Gilad Perez tại Viện Khoa học Weizmann nghiên cứu về thành công này, họ nhận thấy một cơ hội mới để thúc đẩy cuộc tìm kiếm vật chất tối, thậm chí trước khi một đồng hồ hạt nhân hoàn chỉnh thành hiện thực. Trong hợp tác với nhóm nghiên cứu Đức đó, họ mới xuất bản một nghiên cứu trên Physical Review X, đề xuất một phương pháp mới dò ảnh hưởng của vật chất tối lên các đặc trưng của nguyên tử thorium229.
Giống như cú đưa nôi đòi hỏi đúng thời gian để có được sự chuyển động êm đềm, nhất quán, một đồng hồ nguyên tử cũng có một tần số dao động tối ưu mà vật lý gọi là tần số cộng hưởng của nó. Phóng xạ tại đúng tần số này có thể là nguyên nhân khiến cho hạt nhân “đu đưa” giống như một con lắc giữa hai trạng thái lượng tử: một trạng thái nền và một trạng thái năng lượng cao. Trong phần lớn các vật liệu, tần số cộng hưởng đó rất cao nên đòi hỏi bức xạ mạnh để kích thích hạt nhân.
Trong năm 1976, các nhà khoa học khám phá ra xạ thorium229, một sản phẩm phụ của chương trình hạt nhân Mỹ, là một ngoại lệ hiếm. Tần số cộng hưởng tự nhiên của nó đủ thấp để được sử dụng bằng một công nghệ laser tiêu chuẩn bằng bức xạ tia cực tím yếu tương đối tính. Điều này khiến cho xạ thorium229 hứa hẹn trở thành một ứng viên hứa hẹn cho việc phát triển một đồng hồ hạt nhân với thời gian được đo đạc bằng một cú “đu đưa” hạt nhân giữa các trạng thái lượng tử như một con lắc trong đồng hồ truyền thống.
Tuy nhiên, tiến trình trên đồng hồ hạt nhân mới ở giai đoạn sơ khởi, khi các nhà khoa học cố gắng đo đạc tần số cộng hưởng của thorium229 với độ chính xác hầu như cực điểm. Để xác định tần số cộng hưởng của một hạt nhân, các nhà vật lý chiếu một tia laser lên nó ở vô số tần số và quan sát mức năng lượng nó hấp thụ hoặc phát xạ trong khi chuyển đổi giữa các trạng thái lượng tử. Từ những kết quả đó, họ xây dựng một phổ hấp thụ, và tần số nào là nguyên nhân khiến sự hấp thụ đạt đỉnh được xác định là tần số cộng hưởng của hạt nhân.
Trong gần năm thập kỷ, các nhà khoa học không thể đo đạc được tần số cộng hưởng của thorium229 đủ chính xác để tạo ra một đồng hồ hạt nhân nhưng cho tới năm ngoái, đã có hai bước tiến lớn. Thứ nhất, một nhóm ở Viện Đo lường quốc gia Đức (PTB) công bố các đo lường chính xác tương đối. Thứ hai, một vài tháng trước, một nhóm nghiên cứu ở ĐH Colorado công bố các kết qảu chính xác hơn cả triệu lần.
“Chúng tôi vẫn cần độ chính xác lớn hơn để phát triển một đồng hồ hạt nhân”, Perez nói, “nhưng chúng tôi đã nhận thấy một cơ hội để nghiên cứu về vật chất tối”.
“Trong một vũ trụ được tạo ra bởi vật chất thông thường, các điều kiện vật lý và phổ hấp thụ của bất cứ loại vật chất nào cũng sẽ khôn đổi nhưng bởi vì vật chất tối xung quanh chúng ta, bản chất dạng sóng của nó có thể thay đổi một cách tinh tế khối lượng của hạt nhân nguyên tử và là nguyên nhân dẫn đến cú chuyển theo thời gian trong phổ hấp thụ của nó. Chúng tôi đặt giả thuyết là năng lực dể dò những chệch hướng rất nhỏ trong phổ hấp thụ của thorium229 với độ chính xác cực lớn có thể tiết lộ sự ảnh hưởng của vật chất tối và giúp chúng tôi nghiên cứu về các đặc trưng của nó”.
Các tính toán lý thuyết của nhóm nghiên cứu – do TS. Wolfram Ratzinger từ nhóm nghiên cứu của Perez và một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ thực hiện – chứng tỏ những đo đạc mới có thể dò ảnh hưởng của vật chất tối ngay cả ở mức 100 triệu lần yếu hơn hấp dẫn, một lực rất yếu và hiếm khi lướt qua trí não chúng ta trong cuộc sống đời thường.
“Đó là một vùng mà không ai tìm kiếm vật chất tối”, Ratzinger nói. “Những tính toán của chúng tôi cho thấy không đủ để tìm kiếm về tần số cộng hưởng. Chúng tôi cần nhận diện được những thay đổi khắp toàn bộ phổ hấp thụ để dò ảnh hưởng của vật chất tối”.
“Dẫu chúng tôi không thể tìm được những thay đổi đó, chúng tôi cũng đặt nền tảng cho hiểu chúng khi chúng xuất hiện. Một khi chúng tôi dò được một hiện tượng lệch hướng, chúng ta sẽ có thể sử dụng cường độ và tần số của chúng để tính toán khối lượng của hạt vật chất tối.
“Với nghiên cứu này, chúng tôi có thể tính toán sự khác biệt của các mô hình vật chất tối có thể ảnh hưởng đến phổ hấp thụ thorium229. Chúng tôi hy vọng là cuối cùng nó có thể giúp xác nhận mô hình nào chính xác và trên thực tế vật chất tối được làm từ cái gì”.
Hiện tại, các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đang tiếp tục tinh chỉnh đo lường tần số cộng hưởng của thorium229, một quá trình được chờ đợi sẽ mất nhiều năm. Nếu cuối cùng quá trình này đem lại một đồng hồ hạt nhân thì nó có thể làm cách mạng hóa nhiều lĩnh vực, bao gồm khoa học trái đất và đinh vị không gian, truyền thông và quản lý lưới điện…
Ngày nay những đồng hồ chính xác nhất là đồng hồ nguyên tử, vốn phụ thuộc vào dao động của các electron giữa hai trạng thái lượng tử. Dù có độ chính xác cao nhưng chúng lại có một điểm trừ đáng kể: chúng bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện trường từ môi trường, qua đó ảnh hưởng đến tính thống nhất của nó. Hạt nhân của các nguyên tử, ngược lại, ít nhạy hơn với những nhiễu loạn.
“Khi nói đến vật chất tối”, Perez nói, “một đồng hồ hạt nhân chứa thorium229 có thể là một máy dò. Cho đến bây giờ, nhiễu điện trường giới hạn năng lực của chúng ta trong việc sử dụng đồng hồ nguyên tử trong tìm kiếm.
“Nhưng đồng hồ hạt nhân có thể đưa chúng ta đến chỗ có thể dò được những chệch hướng rất nhỏ trong các tích tắc của nó – đó là cái chuyển vô cùng nhỏ trong tần số cộng hưởng – vốn có thể tiết lộ ảnh hưởng của vật chất tối. Chúng tôi đoán là nó sẽ dẫn chúng tôi đến chỗ dò được những lực yếu hơn cả lực hấp dẫn cả 10 nghìn tỉ lần, đem lại độ phân giải tốt hơn 100.000 lần so với những gì hiện nay chúng ta có trong cuộc dò tìm vật chất tối”.
Thanh Phương dịch từ Weizmann Institute of Science
Nguồn: https://wis-wander.weizmann.ac.il/space-physics/dark-side-time
