Chưa từng có: Mỹ vừa bơm 15.000 tấn chất lỏng xuống một mỏ vàng ở độ sâu hàng nghìn mét – Để làm gì?

Những nỗ lực tìm hiểu nguồn gốc của vật chất vũ trụ không phải lúc nào cũng được thực hiện ngoài không gian xa xôi, đôi khi câu trả lời lại nằm sâu bên dưới bề mặt Trái Đất của chính chúng ta. Đó là lý do cho một dự án đặc biệt kỳ công mà các nhà khoa học Mỹ đang thực hiện: bơm hàng nghìn tấn chất lỏng đặc biệt xuống một nơi sâu thẳm trong lòng đất.

Địa điểm được nhắc tới là một mỏ vàng cũ ở bang South Dakota, Mỹ. Nơi từng ồn ào bởi máy khoan và thuốc nổ này nay trở thành “ngôi nhà” cho DUNE – một thí nghiệm vật lý hạt quy mô quốc tế, nơi các nhà khoa học tìm cách nghiên cứu neutrino, những hạt gần như vô hình, xuyên qua Trái Đất mỗi giây mà con người khó có thể phát hiện.

Để làm được điều đó, DUNE cần đặt các thiết bị dò sâu dưới lòng đất. Lý do rất đơn giản: càng xuống sâu, lớp đá phía trên càng giúp che chắn khỏi tia vũ trụ, thứ có thể làm nhiễu kết quả đo. Nhưng chỉ đào hầm là chưa đủ. Các nhà khoa học còn cần một môi trường đặc biệt để “bắt” neutrino, và đó là lúc argon lỏng xuất hiện trong câu chuyện.

Argon là một loại khí trơ, chiếm một phần nhỏ trong không khí. Khi được làm lạnh tới khoảng âm 186 độ C, nó trở thành chất lỏng trong suốt. Ở trạng thái này, argon có một đặc tính quý giá: khi neutrino đi xuyên qua, nó để lại những tín hiệu cực nhỏ có thể được ghi nhận bằng các cảm biến tinh vi. Vấn đề là, để tăng cơ hội “bắt gặp” neutrino, lượng argon cần dùng không phải vài tấn, mà lên tới hơn 15.000 tấn.

Con số này thực sự choáng váng, nhưng thách thức thực sự nằm ở chỗ khác: làm thế nào để chứa và duy trì hàng chục nghìn tấn argon lỏng ở nhiệt độ siêu lạnh, sâu dưới lòng đất, trong nhiều năm liền? Câu trả lời là những “bồn chứa” khổng lồ, được gọi là cryostat, có kích thước tương đương vài bể bơi Olympic gộp lại.

Những cryostat này không thể đơn giản là bồn thép thông thường. Chúng phải chịu được áp lực lớn từ argon lỏng, vốn đặc hơn nước, đồng thời thích nghi với sự thay đổi nhiệt độ khắc nghiệt 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 lớn như thế này,” Lluís Miralles Verge, trưởng nhóm dự án hệ thống làm lạnh của thí nghiệm tại CERN, cho biết. “Các thiết bị DUNE sẽ được lắp đặt trong các hang động chỉ có thể tiếp cận được thông qua một đường hầm sâu. Để làm được điều này, chúng tôi cần có kế hoạch thiết kế và hậu cần chi tiết và chính xác.”

Quả thật như vậy, mỏ vàng cũ không được thiết kế để vận chuyển những cấu kiện khổng lồ. Vì vậy, từng bộ phận của cryostat phải được đưa xuống qua các trục mỏ hẹp, rồi 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 nỗ lực đơn lẻ của Mỹ. Nhiều tổ chức và phòng thí nghiệm trên thế giới tham gia, trong đó châu Âu đóng vai trò quan trọng trong thiết kế cryostat, dựa trên công nghệ vốn được dùng để 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 chứng tính an toàn và độ ổn định.

Tất cả những công sức đó nhằm phục vụ một mục tiêu nghe có vẻ rất “xa xôi” với đời sống thường ngày. Nhưng với giới khoa học, neutrino có thể giữ chìa khóa để giải thích vì sao vũ trụ tồn tại như hiện nay, vì sao vật chất chiếm ưu thế hơn phản vật chất, và những quy luật sâu xa mà con người vẫn chưa hiểu hết.