Lạnh hơn không gian hàng trăm lần: Các nhà khoa học tiến gần đến độ 0 tuyệt đối trong cuộc tìm kiếm vật chất tối

Chương trình tìm kiếm vật chất tối siêu lạnh, hay còn gọi là SuperCDMS, vừa chính thức đi vào hoạt động ở một trong những điều kiện khắc nghiệt nhất từng được con người tạo ra. Theo đó, hệ thống khổng lồ này đã đạt đến nhiệt độ làm việc tiêu chuẩn, đánh dấu bước ngoặt lớn từ quá trình xây dựng nhiều năm sang giai đoạn vận hành khoa học thực tế. Các máy dò cuối cùng đã có thể được kích hoạt, mang theo kỳ vọng giải quyết một trong những bài toán lớn nhất của vật lý hiện đại.

Hệ thống này duy trì một mức nhiệt độ chỉ cao hơn độ không tuyệt đối vài phần nghìn độ. Để dễ hình dung, mức độ lạnh của nó còn vượt xa cái lạnh buốt giá của không gian sâu thẳm. Trong trạng thái siêu lạnh này, hầu như mọi chuyển động do nhiệt năng sinh ra bên trong các cấu trúc vật liệu đều biến mất. Nhờ vậy, thiết bị tạo ra được một môi trường tĩnh lặng đến mức hoàn hảo, đủ để ghi nhận những tín hiệu tương tác hạt vô cùng yếu ớt - thứ mà chắc chắn sẽ bị nhiễu động che lấp trong điều kiện thông thường.

Mục tiêu cốt lõi của siêu dự án này là tìm kiếm và phát hiện các hạt vật chất tối bí ẩn. Dựa trên những tính toán về tác động lực hấp dẫn đối với các thiên hà, giới khoa học tin rằng vật chất tối cấu thành nên 85 phần trăm tổng khối lượng vật chất trong vũ trụ.

Tuy nhiên, tính đến thời điểm hiện tại, bản chất thực sự của chúng vẫn là một ẩn số và chưa từng có bất kỳ máy móc nào quan sát trực tiếp được loại vật chất này. Theo các mô hình lý thuyết hiện hành, nếu hạt vật chất tối thực sự xuyên qua Trái đất, hệ thống SuperCDMS sẽ đóng vai trò như một chiếc bẫy cực nhạy để chộp lấy những khoảnh khắc hiếm hoi khi chúng xảy ra va chạm với các hạt vật chất thông thường.

Giáo sư Priscilla Cushman từ trường vật lý và thiên văn học thuộc đại học Minnesota, đồng thời là người phát ngôn chính thức của dự án, khẳng định rằng việc đưa nhiệt độ xuống mức cơ sở là một thành tựu khổng lồ. Bà cho biết nền tảng này đã phải trải qua nhiều năm thi công để có thể chứa đựng các máy dò trạng thái rắn siêu nhạy ở nhiệt độ thấp. Với mức nhiệt độ cực kỳ thấp như hiện tại, hệ thống máy dò đã sẵn sàng để rà quét một vùng không gian tham số hoàn toàn mới, nơi được dự đoán là nơi trú ngụ của những hạt vật chất tối có khối lượng nhẹ nhất.

Để bảo vệ môi trường nghiên cứu khỏi các yếu tố nhiễu loạn, một hệ thống lá chắn chuyên dụng đã được thiết kế. Đội ngũ từ đại học Minnesota là những người trực tiếp đảm nhận khâu thiết kế, thu mua và lắp ráp hệ thống này. Lá chắn có hình dạng một khối trụ khổng lồ với chiều cao bốn mét và đường kính bốn mét. Lớp vỏ này được cấu tạo từ nhiều lớp chì siêu tinh khiết có nhiệm vụ ngăn chặn hoàn toàn bức xạ gamma. Đồng thời, cấu trúc cũng sử dụng vật liệu polyetylen mật độ cao nhằm triệt tiêu các hoạt động của hạt neutron sinh ra từ sự tương tác giữa tia vũ trụ và vách đá tự nhiên trong hang ngầm.

Bên cạnh vai trò hỗ trợ lắp ráp và làm mát, các chuyên gia của đại học Minnesota còn phát triển các thuật toán tái tạo và phương pháp phân tích dữ liệu tiên tiến. Dưới sự hỗ trợ của phó giáo sư Yan Liu, người giữ chức chủ tịch nhóm công tác phân tích, các thuật toán này sẽ giúp nhận diện nhanh chóng các tín hiệu vật chất tối tiềm năng ngay khi quá trình thu thập dữ liệu chính thức bắt đầu trong vài tháng tới.

Về vị trí địa lý, SuperCDMS được đặt tại cơ sở nghiên cứu SNOLAB nằm cách mặt đất khoảng 2.073 mét. Khu vực này nằm sâu dưới một mỏ niken vẫn đang hoạt động bình thường gần khu vực Sudbury ở Ontario. Khoảng cách hàng ngàn mét dưới lòng đất hoạt động như một tấm khiên tự nhiên khổng lồ, che chắn toàn bộ hệ thống thí nghiệm khỏi các luồng tia vũ trụ và các hạt nền nhiễu sóng khác. Nếu không có độ sâu này, các tín hiệu vô cùng mờ nhạt từ vật chất tối sẽ hoàn toàn bị chìm lấp trong sự nhiễu loạn của các bức xạ nền.

Với việc nhiệt độ cơ sở đã được thiết lập, nhóm nghiên cứu đang bước vào giai đoạn chạy thử máy dò. Quá trình này dự kiến kéo dài vài tháng, bao gồm các công đoạn kích hoạt, hiệu chuẩn và tinh chỉnh cẩn thận từng kênh của máy dò.

Ngoài nhiệm vụ săn lùng vật chất tối, cơ sở hạ tầng hiện đại này cũng tạo điều kiện cho các nhà vật lý nghiên cứu các đồng vị hiếm. Họ sẽ có cơ hội khám phá những dải năng lượng chưa từng được đo đạc trong lịch sử, từ đó có thể tìm ra những phương thức tương tác hạt hoàn toàn mới. Đây là một siêu dự án được tài trợ bởi văn phòng khoa học thuộc bộ năng lượng Mỹ, quỹ khoa học quốc gia Mỹ, quỹ đổi mới Canada, cùng với hội đồng nghiên cứu khoa học tự nhiên và kỹ thuật Canada.