Dấu vết của vật chất bí ẩn nhất vũ trụ

Nếu được xác nhận, đây có thể là một trong những khám phá khoa học vĩ đại nhất.

Thí nghiệm tìm vật chất tối tại núi Abruzzo, Italy vừa cho ra một loạt sự kiện chưa giải thích được, và các nhà nghiên cứu đang hi vọng chúng sẽ dẫn tới một khám phá khoa học vĩ đại trong ngành nghiên cứu vũ trụ.

Thí nghiệm Xenon1T, được thực hiện tại một phòng kín sâu trong dãi núi Abruzzo, vài năm nay đã đưa ra nhiều khám phá đáng chú ý. Tuy nhiên, khám phá mới nhất có thể là hạt Axion, bằng chứng cho vật chất tối – bí ẩn lớn của vũ trụ.

Các nhà khoa học làm việc tại thí nghiệm Xenon1T. Ảnh: Xenon1T.

Những vật chất giả định

Trong nghiên cứu mới được đăng tải trên arXiv, nền tảng đăng tải nghiên cứu chưa được kiểm chứng chéo, các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm Xenon cho biết đầu dò của họ đã phát hiện một loạt sự kiện chưa giải thích được.

Đầu dò của thí nghiệm Xenon1T được đặt trong một bể tròn giữa hơn 3 tấn xenon lỏng ở nhiệt độ -95 độ C. Nó được đặt sâu trong lòng núi để ngăn chặn mọi loại bức xạ có thể ảnh hưởng tới quá trình tìm vật chất tối. Trong 2 năm, từ 2016-2018, Xenon1T tìm kiếm những hạt vật chất hiếm hoi có thể xuyên qua núi cùng với bể xenon dày của nó để tới được đầu dò.

Đây là cách hoạt động của phần lớn các thí nghiệm tìm kiếm vật chất tối. Khi đầu dò phát hiện ra một vật chất có thể xuyên nhiều lớp cản, họ dễ dàng xác định đó là hạt gì. Tuy vậy, phần lớn những hạt chạm vào đầu dò đều là những hạt đã biết. Các nhà khoa học thì tìm kiếm loại hạt mà họ chưa hề biết tới, với mong muốn tiếp cận bằng chứng về vật chất tối.

Vật chất tối vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất của khoa học vũ trụ. Ảnh: NASA.

Công bố vừa qua là lần đầu tiên Xenon bắt gặp được một loại năng lượng tần số thấp, tương ứng với lý thuyết về Axion, một hạt cơ bản giả định.

Mặc dù theo ước tính chiếm 83% tất cả vật chất của vũ trụ, các nhà khoa học chưa thể tìm ra cách phát hiện vật chất tối. Chúng ta chỉ đoán được rằng vật chất tối tồn tại bởi chúng tác động đến những thứ chúng ta biết được.

Một lý thuyết về vật chất tối giả thuyết loại vật chất này được hình thành từ “các hạt lớn với tương tác yếu” hay viết tắt là WIMP. Tuy nhiên, các thí nghiệm của Xenon cho thấy các hạt ở mức năng lượng của WIMPS mà máy dò thu được hầu hết là những hạt đã biết, có nghĩa khả năng tồn tại của WIMP là rất thấp.

Loại hạt giả định tiếp theo đang được tìm kiếm là axion. Hạt axion được giả định nhẹ hơn WIMP, tương tác rất ít với vật chất. Các nhà khoa học cho rằng khi axion được đưa vào một từ trường rất mạnh, chúng sẽ tương tác với từ trường và tạo thành photon tức hạt ánh sáng.

“Dù WIMP là loại vật chất tối được giả định trong nhiều năm, giả thuyết về axion cũng tồn tại lâu tương tự, và trong vài năm nay số thí nghiệm tìm kiếm axion tăng vọt”, Tien-Tien Yu, nhà vật lý tại đại học Oregon nói với Live Science.

Bước đột phá khó kiểm chứng

Theo Cnet, để hiểu được thí nghiệm của Xenon1T, có thể tưởng tượng rằng có một gói kẹo với 60 viên chia thành 6 màu, tức là mỗi màu sẽ có 10 viên. Kết quả của Xenon1T tương ứng với một màu nào đó bỗng có tới 15 viên trong gói kẹo. Các nhà khoa học chưa thể giải thích vì sao lại có hiện tượng này, nhưng đưa ra 3 giả thuyết.

Hai trong số đó là tritium, một đồng vị của hydro và neutrino, loại hạt có thể đi qua mọi vật chất. Tritium là vật chất gây nhiễu phổ biến trong các thí nghiệm tìm kiếm vật chất tối được đặt dưới lòng đất. Trong một số trường hợp, neutrino cũng có thể tương tác mạnh với từ trường và gây nhiễu kết quả.

Giả thuyết thứ ba chính là axion Mặt Trời, loại hạt axion giả định được tạo ra từ lõi của Mặt Trời.

Axion có thể là lời giải thích hợp lý nhất với thí nghiệm Xenon1T. Ảnh: Sonoma State University.

“Các hạt thu nhận được có thể đến từ tritium, nhưng ý tưởng chúng ta tìm thấy một loại hạt mới rất thú vị với chúng tôi”, Luca Grandi, nhà vật lý tại đại học Chicago, đồng tác giả nghiên cứu chia sẻ.

Theo báo cáo nghiên cứu, tính toán của các nhà khoa học cho thấy lượng tritium có thể lọt vào thí nghiệm là quá nhỏ so với con số đo kiểm được. Do vậy, giả thuyết phù hợp nhất với dữ liệu là axion Mặt Trời.

Theo Kai Martens, nhà vật lý tham gia vào thí nghiệm, chỉ có 2/10.000 khả năng hạt thu được là tín hiệu nhiễu từ bức xạ nền ngẫu nhiên chứ không phải axion Mặt Trời. Tuy nhiên, để đủ tiêu chuẩn công bố loại hạt mới thì tỷ lệ phải đạt 1/3,5 triệu (còn được gọi là độ biến thiên 5 sigma), cao hơn rất nhiều.

Để kiểm chứng xem hạt mới có phải là axion Mặt Trời không thì còn một cách nữa là dựa vào dữ liệu theo mùa. Do khoảng cách từ Mặt Trời tới Trái Đất thay đổi liên tục theo mùa, lượng axion cũng sẽ thay đổi theo. Tuy nhiên, thí nghiệm này chỉ diễn ra trong 2 năm, là khoảng thời gian quá ngắn để nhận biết được sự thay đổi này.

Thí nghiệm Xenon1T hiện đã được tháo để nâng cấp lên một phiên bản mạnh mẽ hơn. Ảnh: Science Source.

Xenon1T đã được tháo dỡ vào tháng 12/2018 để nâng cấp lên một phiên bản mới. Do đó, các nhà khoa học không thể tái kiểm chứng các kết quả của thí nghiệm này. Xenonnt, phiên bản mới hiện vẫn đang trong quá trình xây dựng, có thể sẽ làm sáng tỏ hơn những kết quả của Xenon1T.

“Nếu thí nghiệm thành công thì đây sẽ là một phát hiện lớn. Tôi chưa muốn bình luận về dữ liệu trước khi nó được kiểm chứng chéo, nhưng tôi vẫn mong có được dữ liệu 5 sigma hơn”, Chanda Prescod-Weinstein, nhà vật lý tại đại học New Hampshire nhận xét.