Buzz
Ẩn sâu trong một mỏ khai thác tại Canada, hệ thống truy tìm vật chất tối hiện đã đạt tới mức nhiệt còn thấp hơn cả không gian vũ trụ. Thành tựu mang tính bước ngoặt này cho phép các máy dò gần như loại bỏ hoàn toàn nhiễu nhiệt, mở đường cho việc thu thập những tín hiệu mong manh nhất.
Dự án tìm kiếm vật chất tối siêu lạnh mang tên SuperCDMS vừa chính thức bước vào giai đoạn hoạt động trong môi trường khắc nghiệt bậc nhất mà con người từng tạo ra. Sau nhiều năm xây dựng và thử nghiệm, hệ thống quy mô lớn này đã đạt nhiệt độ vận hành chuẩn, đánh dấu sự chuyển mình từ giai đoạn lắp đặt sang nghiên cứu khoa học thực tế. Những máy dò cuối cùng nay đã sẵn sàng được kích hoạt, mang theo hy vọng giải đáp một trong những bí ẩn lớn nhất của vật lý hiện đại.
Hệ thống tìm kiếm vật chất tối siêu lạnh (SuperCDMS) được lắp đặt trong một mỏ niken nằm sâu dưới lòng đất Canada và đã đạt nhiệt độ vận hành chỉ cao hơn độ không tuyệt đối vài phần nghìn độ.
Nhiệt độ vận hành của hệ thống chỉ nhỉnh hơn độ không tuyệt đối vài phần nghìn độ. Để dễ hình dung, mức lạnh này còn vượt xa cái lạnh của không gian sâu thẳm. Trong trạng thái siêu lạnh ấy, hầu hết mọi dao động do nhiệt năng trong cấu trúc vật liệu gần như biến mất hoàn toàn. Nhờ đó, thiết bị tạo ra một môi trường tĩnh lặng gần như tuyệt đối, đủ nhạy để ghi nhận các tín hiệu tương tác hạt cực kỳ yếu – những tín hiệu vốn sẽ bị nhiễu động che khuất trong điều kiện thông thường.
Mục tiêu trọng tâm của dự án quy mô lớn này là truy tìm và xác nhận sự tồn tại của các hạt vật chất tối bí ẩn. Từ những tính toán liên quan đến lực hấp dẫn tác động lên các thiên hà, giới khoa học cho rằng vật chất tối chiếm tới khoảng 85% tổng khối lượng vật chất trong vũ trụ.
Dẫu vậy, cho đến nay bản chất thực sự của chúng vẫn là điều chưa được giải mã, và chưa có thiết bị nào từng quan sát trực tiếp được loại vật chất này. Theo các mô hình lý thuyết hiện tại, nếu những hạt vật chất tối đi xuyên qua Trái đất, hệ thống SuperCDMS sẽ hoạt động như một chiếc bẫy cực kỳ nhạy bén, sẵn sàng ghi nhận những khoảnh khắc hiếm hoi khi chúng va chạm với các hạt vật chất thông thường.
Môi trường siêu lạnh gần như xóa bỏ hoàn toàn các dao động nhiệt bên trong vật liệu, từ đó tạo nên một không gian tĩnh lặng tuyệt đối để ghi nhận những tín hiệu cực kỳ yếu.
Giáo sư Priscilla Cushman thuộc khoa vật lý và thiên văn học của đại học Minnesota, đồng thời là phát ngôn viên chính của dự án, cho biết việc đưa hệ thống xuống mức nhiệt cơ sở là một cột mốc vô cùng quan trọng. Theo bà, cơ sở hạ tầng này đã trải qua nhiều năm xây dựng nhằm có thể vận hành các máy dò trạng thái rắn siêu nhạy trong điều kiện nhiệt độ cực thấp. Khi đạt tới ngưỡng lạnh như hiện tại, hệ thống đã sẵn sàng khảo sát một vùng không gian tham số hoàn toàn mới, nơi các nhà khoa học dự đoán có thể tồn tại những hạt vật chất tối có khối lượng nhỏ nhất.
Để bảo vệ môi trường thí nghiệm khỏi các nguồn nhiễu, một hệ thống chắn chuyên biệt đã được xây dựng. Nhóm nghiên cứu từ đại học Minnesota chịu trách nhiệm thiết kế, mua sắm thiết bị và lắp ráp toàn bộ cấu trúc này. Lớp chắn được chế tạo dưới dạng một khối trụ khổng lồ cao bốn mét và đường kính cũng bốn mét. Phần vỏ gồm nhiều lớp chì siêu tinh khiết nhằm chặn hoàn toàn bức xạ gamma. Bên cạnh đó, cấu trúc còn sử dụng polyetylen mật độ cao để hấp thụ các hạt neutron sinh ra khi tia vũ trụ tương tác với các lớp đá tự nhiên trong hang ngầm.
Các nhà khoa học từ đại học Minnesota đã chế tạo một lớp chắn khổng lồ bằng chì siêu tinh khiết kết hợp với polyetylen nhằm ngăn chặn bức xạ gamma cũng như các hạt neutron có thể gây nhiễu cho thí nghiệm.
Ngoài việc tham gia lắp ráp và hỗ trợ hệ thống làm lạnh, các nhà khoa học của đại học Minnesota còn phát triển những thuật toán tái tạo tín hiệu cùng các phương pháp phân tích dữ liệu tiên tiến. Dưới sự dẫn dắt của phó giáo sư Yan Liu, chủ tịch nhóm công tác phân tích, các công cụ này sẽ giúp nhận diện nhanh chóng những tín hiệu vật chất tối tiềm năng ngay khi quá trình thu thập dữ liệu chính thức được triển khai trong vài tháng tới.
Về mặt địa lý, SuperCDMS được lắp đặt tại cơ sở nghiên cứu SNOLAB, nằm sâu khoảng 2.073 mét dưới bề mặt Trái đất. Phòng thí nghiệm này tọa lạc trong một mỏ niken vẫn đang hoạt động gần khu vực Sudbury thuộc Ontario. Độ sâu hàng nghìn mét này đóng vai trò như một lớp khiên tự nhiên khổng lồ, giúp che chắn hệ thống thí nghiệm khỏi các tia vũ trụ và nhiều loại hạt nền gây nhiễu khác. Nếu không có lớp bảo vệ tự nhiên này, các tín hiệu cực kỳ yếu từ vật chất tối sẽ dễ dàng bị chìm trong nhiễu xạ nền.
Sau khi đạt được mức nhiệt cơ sở, nhóm nghiên cứu hiện đang tiến hành giai đoạn chạy thử cho các máy dò. Công đoạn này dự kiến kéo dài vài tháng, bao gồm việc kích hoạt hệ thống, hiệu chuẩn thiết bị và điều chỉnh tỉ mỉ từng kênh phát hiện để đảm bảo độ chính xác tối đa.
Việc hoàn tất giai đoạn hạ nhiệt đã mở ra chặng đường thử nghiệm kéo dài nhiều tháng, bao gồm các bước chạy thử và hiệu chuẩn hệ thống máy dò, đồng thời tạo tiền đề cho việc nghiên cứu các đồng vị hiếm cũng như khám phá những dạng tương tác hạt hoàn toàn mới.
Không chỉ phục vụ mục tiêu truy tìm vật chất tối, cơ sở nghiên cứu tiên tiến này còn mang đến cơ hội cho các nhà vật lý khảo sát nhiều loại đồng vị hiếm. Thông qua đó, họ có thể tiếp cận những dải năng lượng chưa từng được ghi nhận trước đây, mở ra khả năng phát hiện các cơ chế tương tác hạt hoàn toàn mới. Dự án quy mô lớn này được tài trợ bởi văn phòng khoa học thuộc bộ năng lượng Mỹ, quỹ khoa học quốc gia Mỹ, quỹ đổi mới Canada và hội đồng nghiên cứu khoa học tự nhiên và kỹ thuật Canada.
