Bản chất của vật chất tối khó nắm bắt hơn cả trước đây từng nghĩ?
Những kết quả mới từ máy dò vật chất tối nhạy bậc nhất thế giới đã nắm bắt gần hơn các đặc điểm của thứ vật chất kỳ lạ này, qua đó tiến gần hơn đến cơ hội giải được một trong số những bí ẩn lớn bậc nhất vũ trụ.
Thực nghiệm vật chất tối LUX-ZEPLIN (LZ), được triển khai tại Cơ sở nghiên cứu dưới lòng đất Sanford tại Nam Dakota, Mỹ, đã phân tích một lượng dữ liệu lớn và có những cái hiểu thấu trước nay chưa từng có về một trong những ứng viên hàng đầu của vật chất tối mà người ta vẫn gọi là những hạt nặng tương tác yếu (WIMPs) 1. Đây cũng là một hướng mà nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới theo đuổi hàng thập kỷ song lại chưa thu được nhiều kết quả đáng kể.
Những phát hiện mới, được trình bày tại hội nghị TeV Particle Astrophysics 2024 Conference 2 ở Chicago, Illinois, và hội nghị LIDINE 2024 Conference in São Paulo, Brazil, đã ở mức nhạy gần gấp năm lần so với những thí nghiệm trước và chỉ dấu là WIMPs hiếm hoi tương tác với vật chất thông thường, qua đó xác nhận việc truy dấu vật chất tối khó như thế nào.
Dự án LZ do Phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) dẫn dắt. Các nhà vật lý của trường đại học Bristol cũng tham gia nhóm hợp tác quốc tế này cùng hơn 250 nhà nghiên cứu Anh, Mỹ, Australia, Bồ Đào Nha, Hàn Quốc và Thụy Sĩ. Đây là thực nghiệm lớn nhất và có độ nhạy lớn nhất thế giới trong việc tìm kiếm các hạt vật chất tối, cụ thể là WIMPs. Một bài báo nữa sẽ được xuất bản trong vài tuần tới.
Các kết quả từ phân tích dữ liệu thu thập trong 280 ngày: một bộ dữ liệu mới 220 ngày (thu thập từ tháng 3/2023 đến tháng 4/2024) kết hợp với dữ liệu trong vòng 60 ngày từ đợt vận hành đầu tiên của LZ. Thực nghiệm này được lên kế hoạch thu thập dữ liệu 1.000 ngày trước khi kết thúc vào năm 2028.
“Nếu bạn nghĩ về một cuộc tìm kiếm vật chất tối giống như tìm kiếm kho báu chôn dưới lòng đất thì chúng tôi đã đào bới sâu gấp năm lần so với các cuộc săn tìm trong quá khứ”, Scott Kravitz, một điều phối viên vật lý của LZ và là giáo sư trường đại học Texas ở Austin, nói. “Đó là những gì bạn không thể làm với cả triệu cái xẻng – bạn cần làm việc đó với một công cụ mới”.
Theo Henning Flaecher, giáo sư vật lý và trưởng nhóm Bristol, “Những kết quả này cho thấy một cải thiện đáng kể so với những cuộc tìm kiếm trước đây về vật chất tối WIMP. Dù chúng tôi đã chứng minh một phạm vi rộng các khối lượng mà vật chất tối có thể có và cường độ tương tác của nó với vật chất thông thường nhưng thực ra vẫn còn nhiều điều khó nắm bắt. Việc tìm kiếm về vật chất tối dứt khoát là một cuộc đua marathon chứ không phải là một cuộc đua cự ly ngắn, và với LZ, vẫn cần thu thập lượng dữ liệu nhiều gấp ba hơn lượng dữ liệu đã được sử dụng cho những phát hiện mới. Cuộc đua vẫn còn ở phía trước”.
LZ đã tìm thấy không có bằng chứng của WIMPs có khối lượng trên 9 GeV/c2, nơi 1 GeV/c2 xấp xỉ với khối lượng của một nguyên tử hydro.
Thực nghiệm này giờ cần được vận hành trong khoảng 1.000 ngày để nhận được đầy đủ độ nhạy của nó. Đây là kết quả ban đầu và chỉ là một phần của những nỗ lực thiết kế và xây dựng kéo dài hàng thập kỷ.
LZ, nhận được sự tài trợ của Hội đồng Cơ sở hạ tầng KH&CN của UKRI Anh, đã được thiết kế để tìm kiếm bằng chứng trực tiếp về vật chất tối – một thành phần bí ẩn vô hình được cho là chiếm phần lớn khối lượng của vũ trụ này. Vật chất tối vô cùng thách thức để dò vì nó không phát xạ hay hấp thụ ánh sáng hoặc bất cứ hình thức nào của bức xạ.
Máy dò LZ đang cố gắng nắm bắt những tương tác vô cùng hiếm hoi và yếu ớt giữa vật chất tối và cái bia xenon lỏng bảy tấn. Để làm việc này, LZ phải được hiệu chuẩn một cách cẩn trọng và bất cứ nhiễu nền nào cũng phải được loại bỏ để thực nghiệm có thể đạt đến độ hoàn hảo cho có thể quan sát được những tương tác đó.
Các hạt cơ bản phỏng thuyết đó tương tác với hấp dẫn, đầu tiên xác nhận sự tồn tại của vật chất tối và có thể thông qua một tương tác yếu mới.
Điều này có nghĩa là người ta chờ đợi WIMPs va chạm với vật chất thông thường – vô cùng hiếm hoi và vô cùng yếu ớt. Điều này giải thích tại sao các máy dò hạt vô cùng lặng lẽ và vô cùng nhạy để dò WIMP.
Tại tâm của thực nghiệm là một máy dò hạt xenon lỏng lớn được duy trì ở mức khoảng -110oC, xung quanh là các cảm biến photon. Nếu một hạt WIMP tương tác với một nguyên tử xenon, một lượng nhỏ ánh sáng có thể được phát xạ và các cảm biến sẽ nắm bắt đó. Nhưng để thấy được các tương tác hiếm đó, việc đầu tiên của nhóm nghiên cứu là phải loại bỏ một cách cẩn thận bức xạ nền khỏi các vật liệu của máy dò nhiều nhất có thể.
Nhưng điều này vẫn chưa đủ và chưa thể giải thích tại sao LZ lại phải được vận hành sâu dưới mặt đất cả dặm. Đây là tấm khiên che chắn thực nghiệm khỏi tia vũ trụ, vốn là thứ “tấn công” các thực nghiệm trên bề mặt trái đất. Máy dò này và các tinh thể bên trong nó được xếp đặt trong một thùng nước khổng lồ để bảo vệ thực nghiệm khỏi các hạt và bức xạ đến từ các vách của phòng thí nghiệm.
“Chúng tôi đang mở rộng đường biên hiểu biết về một cơ chế nơi trước đây con người không thể tìm kiếm vật chất tối”, Scott Haselschwardt, một điều phối viên vật lý khác của LZ và là một Chamberlain Fellow tại Berkeley Lab, giờ là trợ lý giáo sư tại trường đại học Michigan. “Ai cũng mong muốn nhìn vào các mẫu hình trong dữ liệu, vì vậy thật quan trọng khi thấy một cơ chế mới không thiên kiến. Nếu muốn tạo ra được một khám phá thì phải làm được điều này”.
Các nhà nghiên cứu của trường Bristol đóng một vai trò quan trọng trong thực nghiệm này, với Christopher Wright và Nathan Pannifer làm việc sâu dưới lòng đất 1500m ở Nam Dakota như một phần của luận án tiến sĩ, góp phần vào vận hành và bảo trì Máy dò ngoài (Outer Detector OD). Hợp phần này của LZ được sử dụng để khử nhiễu các dòng tín hiệu từ các neutron và các tia gamma, các tín hiệu nền có khả năng bắt chước tương tác vật chất tối. Trên cơ sở dữ liệu thu thập được trên OD, Sam Eriksen, một nhà nghiên cứu dẫn dắt việc phát triển cách loại neutron và đo lường hiệu quả của nó với phân tích hiện tại.
Giáo sư Flaecher cho biết thêm “Với các cuộc kiếm tìm vật chất tối, nó có tầm quan trọng hữu hình để khử nhiễu của bất cứ nguồn bức xạ nền nào, cụ thể là các neutron và tia gamma. Các máy dò khử của LZs cho phép chúng tôi loại bỏ được rất nhiều quá trình và làm tăng thêm độ nhạy của các tương tác vật chất tối vô cùng hiếm gặp.
“Cuối cùng, LZ đã đảm bảo xenon lỏng tự nó càng tinh khiết càng có thể loại bỏ nhiễu chính thông qua một quá trình phức tạp kéo dài hàng năm. Nhiều hệ thống phức tạp sẽ được bổ sung vào thực nghiệm LZ, và những kết quả đó chứng tỏ chúng đang hoạt động trong sự hài hòa liền mạch”.
Bội Linh dịch từ ĐH Bristol
Nguồn: https://www.bristol.ac.uk/news/2024/august/dark-matter-research.html
————————————————-
1. https://tiasang.com.vn/doi-moi-sang-tao/theo-dau-vet-vat-chat-toi-18454/
https://tiasang.com.vn/khoa-hoc-cong-nghe/ly-thuyet-moi-ve-nguon-goc-vat-chat-toi-26584/
https://tiasang.com.vn/doi-moi-sang-tao/nhung-y-tuong-moi-ve-viec-tim-kiem-vat-chat-toi-25313/
2. https://indico.uchicago.edu/event/427/overview
