Một điều chưa từng xảy ra: Mỹ vừa đổ 15.000 tấn chất lỏng xuống một mỏ vàng sâu hàng nghìn mét – Mục đích là gì?

Ngay cả các nhà khoa học cũng phải thừa nhận rằng đây là lần đầu tiên họ phải đối mặt với một thử thách khổng lồ về mặt hậu cần của dự án.

Những nỗ lực tìm hiểu nguồn gốc của vật chất vũ trụ không phải lúc nào cũng diễn ra ngoài không gian, đôi khi câu trả lời lại nằm ngay dưới lòng đất. Đó là lý do cho dự án đặc biệt này mà các nhà khoa học Mỹ đang thực hiện: bơm hàng nghìn tấn chất lỏng đặc biệt xuống dưới lòng đất sâu thẳm.

Địa điểm được chọn là một mỏ vàng cũ ở bang South Dakota, Mỹ. Nơi trước đây nhộn nhịp bởi máy khoan và thuốc nổ nay trở thành nơi triển khai DUNE – một thí nghiệm vật lý hạt quy mô quốc tế, nơi các nhà khoa học nghiên cứu neutrino, những hạt vô hình xuyên qua Trái Đất mỗi giây mà rất khó để phát hiện.

Để thực hiện điều này, DUNE cần đặt các thiết bị dò sâu dưới lòng đất. Lý do rất đơn giản: càng xuống sâu, lớp đá phía trên càng bảo vệ khỏi tia vũ trụ, giúp kết quả đo chính xác hơn. Nhưng việc đào hầm không đủ, các nhà khoa học cần một môi trường đặc biệt để “bắt” neutrino, và đó là lúc argon lỏng trở thành yếu tố quan trọng.

Argon là khí trơ chiếm một phần nhỏ trong không khí. Khi làm lạnh tới âm 186 độ C, nó trở thành chất lỏng trong suốt. Trong trạng thái này, argon có một đặc tính quan trọng: khi neutrino xuyên qua, nó tạo ra những tín hiệu rất nhỏ có thể được cảm biến tinh vi ghi lại. Tuy nhiên, để tăng cơ hội phát hiện neutrino, lượng argon cần dùng không phải vài tấn mà lên tới hơn 15.000 tấn.

Con số này thực sự rất ấn tượng, nhưng thử thách thực sự nằm ở một vấn đề khác: làm sao để chứa và duy trì hàng chục nghìn tấn argon lỏng ở nhiệt độ cực thấp, dưới lòng đất, trong suốt nhiều năm? Câu trả lời là những “bồn chứa” khổng lồ, gọi là cryostat, có kích thước tương đương với vài bể bơi Olympic cộng lại.

Những cryostat này không phải là những bồn thép thông thường. Chúng phải chịu được áp lực cực lớn từ argon lỏng, vốn đặc hơn nước, đồng thời thích ứng với sự thay đổi nhiệt độ cực đoan từ môi trường bình thường xuống mức siêu lạnh. Bên trong, các tấm thép không gỉ được thiết kế dạng gợn sóng để co giãn mà không bị nứt vỡ khi nhiệt độ thay đổi đột ngột.

“Đây là lần đầu tiên chúng tôi thực hiện một dự án quy mô lớn như thế này,” Lluís Miralles Verge, trưởng nhóm dự án hệ thống làm lạnh của thí nghiệm tại CERN, chia sẻ. “Các thiết bị DUNE sẽ được lắp đặt trong các hang động chỉ có thể tiếp cận qua một đường hầm sâu. Để thực hiện được điều này, chúng tôi cần có kế hoạch thiết kế và hậu cần chi tiết và chính xác.”

Đúng vậy, mỏ vàng cũ không được thiết kế để vận chuyển những cấu kiện khổng lồ. Vì vậy, mỗi bộ phận của cryostat phải được hạ xuống qua các trục mỏ hẹp, rồi được lắp ráp tại chỗ dưới lòng đất. Mỗi bồn chứa bao gồm hàng nghìn chi tiết, từ lớp cách nhiệt, màng thép bên trong cho đến các hệ thống giữ nhiệt và làm lạnh.

Dự án này không phải là công sức riêng của Mỹ. Nhiều tổ chức và phòng thí nghiệm quốc tế đã tham gia, với châu Âu đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế cryostat, sử dụng công nghệ vốn được áp dụng trong vận chuyển khí tự nhiên hóa lỏng. Trước khi được lắp đặt tại mỏ vàng, các phiên bản thử nghiệm đã được vận hành ở châu Âu để kiểm tra tính an toàn và độ ổn định.

Tất cả những nỗ lực đó đều hướng đến một mục tiêu có vẻ rất “xa vời” với cuộc sống hàng ngày. Tuy nhiên, đối với giới khoa học, neutrino có thể là chìa khóa để giải thích lý do vũ trụ tồn tại như hiện nay, tại sao vật chất chiếm ưu thế hơn phản vật chất, và những quy luật sâu sắc mà con người vẫn chưa thể hiểu hết.