Thí nghiệm tìm kiếm vật chất tối, các nhà khoa học vô tình phát hiện ra thứ có thể đảo lộn cả nền vật lý cơ bản

Những sai số trong thí nghiệm tìm kiếm vật chất tối mới đây có thể sẽ mở ra con đường mới cho vật lý hạt, nhưng cũng hoàn toàn có thể chỉ là các dị biệt thường thấy trong các thí nghiệm siêu chính xác này.

Một thùng Xenon lỏng đặt ngầm ở Ý có thể vừa phát hiện ra một loại hạt mới, được sinh ra trong tâm Mặt Trời. Nếu điều này đã thực sự xảy ra, nó có thể làm đảo lộn các định luật vật lý đã tồn tại trong hơn 50 năm nay.

Các nhà nghiên cứu tạo ra một thùng chứa ngầm dưới đất này để nghiên cứu về vật chất tối, một thứ khó nắm bắt nhưng theo các lý thuyết về thiên văn học hiện đại, nó chiếm đến 85% vũ trụ.

Các nhà khoa học biết vật chất tối có tồn tại bởi vì có thể đo lường được trọng lực của nó đang tác động đến các thiên hà xa xôi, nhưng họ chưa bao giờ có thể trực tiếp phát hiện nó trước đây. Cho đến nay, các dự đoán khả thi nhất về vật chất tối cho rằng nó bao gồm các đám mây của những hạt hạ nguyên tử còn sót lại từ sau Vụ nổ lớn Big Bang và được gọi chung là các hạt WIMP.

Thí nghiệm Xenon1T: Bên trái là thùng chứa với tấm poster cho thấy điều gì ở bên trong, bên phải là tòa nhà làm việc cao 3 tầng của các nhà nghiên cứu.

Đó là lý do cho thí nghiệm Xenon1T đang được một nhóm các nhà khoa học quốc tế tiến hành tại Phòng Thí nghiệm Quốc gia Gran Sasso ở Ý. Họ muốn nhằm tìm bằng chứng trực tiếp chứng minh sự tồn tại của loại vật chất cơ bản của vũ trụ này.

Thí nghiệm này bao gồm việc sử dụng một thùng hình trụ chứa đầy hơn 3,2 tấn Xenon lỏng, được làm lạnh đến -95oC (âm 95 độ C). Thùng chứa này được đặt sâu dưới lòng đất để đảm bảo các sóng bức xạ gây nhiễu cho thí nghiệm này. Theo tiến sĩ Elena Aprile của Đại học Columbia, người đứng đầu thí nghiệm này, cho đến nay Xenon hiện là chất nhạy cảm nhất để phát hiện và xác định vật chất tối.

Thùng chứa Xenon trước khi được lắp đặt.

Thùng chứa này cũng được nối với các bộ kích quang cùng nhiều cảm biến khác nhằm phát hiện ra các tương tác hiếm hoi giữa những hạt hạ nguyên tử của vật chất tối với các nguyên tử Xenon. Về lý thuyết, các tương tác này sẽ tạo ra những tia sáng nhỏ cùng các electron.

Trong lần thực nghiệm mới nhất của thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu ban đầu dự kiến cỗ máy sẽ phát hiện được khoảng 232 tương tác, dựa trên các hạt đã biết. Nhưng thay vào đó, họ phát hiện được 285 tương tác – nhiều hơn 53 tương tác so với dự đoán.

Hơn nữa, năng lượng phát ra từ các tương tác ngoài dự đoán này còn tương ứng với mức năng lượng đã được dự đoán của một loạt hạt chưa từng được phát hiện ra trước đây, có tên gọi solar axion. Loại hạt này từng được các nhà vật lý dự báo về sự tồn tại của nó trên lý thuyết nhưng chưa từng được tìm ra.

“ Loại hạt lý thuyết dường như phù hợp với dữ liệu của Xenon1T này dường như quá nặng so với vật chất tối, nhưng có thể được tạo ra bởi mặt trời.” Sean Caroll, nhà vật lý tại Học viện Công nghệ California nói với Business Insider. “ Nếu điều này đúng, nó sẽ có tầm quan trọng khổng lồ – đây có thể là một phát hiện mang đến giải Nobel.”

Các ống kích quang (photomultiplier) được sử dụng để phát hiện các tia sáng phát ra từ thí nghiệm Xenon1T.

Nhưng các tương tác ngoài dự đoán này cũng có thể chỉ là các điểm dị thường, vốn hay xuất hiện trong các thí nghiệm vật lý có độ nhạy cao như Xenon1T này.

Phát hiện có thể thay đổi 50 năm vật lý cơ bản

Phát hiện mới nhất về hạt cơ bản đã xuất hiện từ những năm 1970 cho đến nay. Đó cũng là khi Mô hình Chuẩn (Standard Model) được thiết lập – một tập hợp các quy tắc đã biết đối với vật lý hạt, nhằm miêu tả toàn bộ các hạt cơ bản đã được các nhà khoa học phát hiện và cách chúng tương tác với những hạt khác.

Đó là lý do tại sao loại hạt mới được phát hiện của thí nghiệm Xenon1T lại quan trọng đến như vậy. Nếu kết quả thí nghiệm là đúng, nó sẽ chứng minh cho sự tồn tại của một loại hạt mới, nằm ngoài Mô hình Chuẩn đã tồn tại gần nửa thế kỷ nay.

“ Đó sẽ là phát hiện vững chắc đầu tiên về một điều gì đó bên ngoài Mô hình Chuẩn.” Aaron Manalaysay, nhà vật lý về vật chất tối tại Phòng Thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley cho biết. “ Đây giống như một loại chén thánh đối với vật lý hạt.”

Bộ phận làm lạnh được treo hệ thống trụ đỡ trong thùng chứa của thí nghiệm Xenon1T.

Một khả năng khác có thể giải thích cho những tương tác ngoài dự đoán của thí nghiệm là các hạt Neutrino – một loại hạt hạ nguyên tử không mang điện tích – cũng có thể gây ra các tương tác này.

Điều này cũng có thể định nghĩa lại các định luật vật lý đã biết, khi điều này có nghĩa là các hạt neutrino cũng có từ trường lớn hơn so với dự đoán của Mô hình Chuẩn. Nhà vật lý Manalaysay cho biết: “Điều này có thể chỉ ra những quy tắc vật lý mới bên ngoài Mô hình Chuẩn.”

Các thí nghiệm lớn hơn sắp đến trong tương lai

Cũng có khả năng các phát hiện trong thí nghiệm Xenon1T không hề xảy ra – cho dù điều này khó xảy ra. Các nhà nghiên cứu tính toán rằng chỉ có 2 trong số khoảng 10.000 sự kiện được phát hiện là do các dao động ngẫu nhiên.

Phòng Thí nghiệm Gran Sasso là phòng thí nghiệm ngầm dưới đất lớn nhất thế giới, khi nó được đặt ở độ sâu 1,3 km so với mặt đất.

Tuy vậy, các tín hiệu này có thể đến từ các hạt thông thường khác – một lời giải thích không mấy hấp dẫn so với những khả năng như hạt axion hay hạt neutrino. Các sự kiện ngoài dự đoán có thể đến từ va chạm với một lượng nhỏ tridium, một chất đồng vị phóng xạ của Hydro, phân rã ngay bên trong thùng chứa. Theo ông Manalaysay, các chất đồng vị Argon cũng tạo ra hiệu ứng tương tự.

“ Nó không quá nhiều. Chỉ khoảng một vài nguyên tử.” Ông cho biết. Một vài nguyên tử có thể là quá nhiều đối với một ngành khoa học siêu chính xác như vật lý hạt.

Chính vì vậy, một phiên bản mới đối với thí nghiệm Xenon đang được triển khai ở Mỹ và châu Âu, nhằm giúp các nhà nghiên cứu khám phá các sự kiện ngoài dự đoán trên và xác định xem loại hạt nào gây ra các va chạm này. Đó là lý do tại sao các thí nghiệm mới sẽ thực hiện với quy mô lớn hơn và có độ nhạy hơn đáng kể so với thí nghiệm trước đây.

Trong khi thí nghiệm Xenon1T mới phát hiện được 53 tương tác không thể giải thích, theo ông Manalaysay, phiên bản kế nhiệm của nó, thí nghiệm LUX-ZEPLIN có thể phát hiện đến 800 tương tác. Hiện tại việc bùng phát dịch bệnh virus corona đang làm tiến trình chuẩn bị thí nghiệm này bị gián đoạn, tuy nhiên các thí nghiệm mới nhiều khả năng sẽ hoạt động và đưa ra kết quả “trong năm tới”.