Sâu dưới lòng đất khoảng 1 dặm (1.609 mét) của một mỏ vàng bỏ hoang thuộc khu vực tiểu bang Nam Dakota, Mỹ là một dự án hàng chục triệu USD được hàng trăm nhà khoa học quốc tế dồn nhiều tâm huyết để xây dựng.

Tiêu tốn 55 triệu USD, dự án này được dùng để săn tìm một trong những thứ bí ẩn nhất vũ trụ: Vật chất tối, thông tin từ Đại học Wisconsin (Mỹ).

Theo các nhà khoa học, vật chất tối được cho là chiếm 85% tổng số vật chất trong vũ trụ, nhưng chưa ai chứng minh được sự tồn tại của nó. Vậy, bài toán này cần giải quyết ra sao?

Sau nhiều thập kỷ săn lùng các hạt vật chất tối bí ẩn không thành công, các nhà nghiên cứu đã tiến hành chế tạo ngày càng nhiều máy dò vật chất tối nhạy hơn. Kết quả, sau một đợt chạy thử nghiệm kéo dài 3,5 tháng và kết thúc vào tháng 4/2022, Trái Đất đã có công trình săn tìm vật chất tối siêu nhạy, tốt nhất tính cho đến thời điểm hiện nay.

Cụ thể, một nhóm gồm hơn 200 nhà khoa học quốc tế đang làm việc tại Cơ sở Nghiên cứu Ngầm Sanford ở Lead, tiểu bang Nam Dakota, nơi họ đã xây dựng một máy dò vật chất tối khổng lồ có tên LUX-ZEPLIN (LZ) sâu bên dưới mặt đất, tại môt mỏ vàng bỏ hoang.

Chiếc máy săn vật chất tối LUX-ZEPLIN này gần đây đã cung cấp những điểm dữ liệu đầu tiên, được các nhà khoa học công bố ngày 7/7/2022.

LUX-ZEPLIN là một máy dò vật chất tối thế hệ tiếp theo, được Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) chọn là một trong ba máy dò vật chất tối 'G2' (cho Thế hệ 2).

Frank Wolfs, Giáo sư vật lý và thiên văn học tại trường Đại học Rochester (Mỹ), người đang giám sát nỗ lực của trường Rochester trong dự án LUX-ZEPLIN, cho biết: "Chúng tôi vẫn chưa nhìn thấy vật chất tối nào, nhưng kết quả đầu tiên của LUX-ZEPLIN cho thấy nó hiện là máy dò vật chất tối nhạy nhất trên thế giới".

Máy dò LUX-ZEPLIN được thiết lập giống như một chiếc chuông hình trụ khổng lồ có khả năng rung lên để phản ứng lại tiếng va chạm nhẹ nhất từ một hạt vật chất tối.

Cỗ máy dò vật chất tối siêu nhạy LUX-ZEPLIN bao gồm một bể titan khổng lồ chứa đầy 10 tấn xenon lỏng cực kỳ tinh khiết. [Xenon là một loại khí nặng và cực hiếm, nó nặng hơn không khí 4,5 lần và không màu, không mùi, không vị, theo dữ liệu của Britannica].

Nếu một hạt vật chất tối chạy vào nguyên tử xenon, xenon sẽ va chạm với các nguyên tử bên cạnh của nó, tạo ra một chùm tia cực tím và giải phóng các electron.

Một lúc sau, các điện tử tự do sẽ kích thích khí xenon ở trên cùng của buồng và giải phóng một chùm ánh sáng thứ hai, sáng hơn. Hơn 500 ống nhân quang sẽ theo dõi những tín hiệu này, chúng cùng nhau có thể phân biệt giữa các hạt gây ô nhiễm và các va chạm vật chất tối thực sự.

Để che chắn xenon khỏi các hạt và bức xạ mà chúng ta biết không đến từ vật chất tối, máy dò được bao quanh bởi một bể nước tinh khiết khổng lồ. Và toàn bộ công trình này được chôn sâu 1.609 mét dưới lòng đất trong một mỏ vàng bỏ hoang ở Mỹ.

"Trung tâm của máy dò LUX-ZEPLIN là nơi tinh khiết nhất trên Trái Đất, thậm chí có thể là tinh khiết nhất trong Hệ Mặt Trời. Bởi thực tế là không có khối lượng không gian nào khác trong vũ trụ hoặc trên hành tinh này không có bức xạ và bụi. Do đó, chúng tôi phải chôn sâu máy dò này xuống lòng đất, 'cách ly' nó bằng bể nước tinh khiết để nó yên tâm thực hiện nhiệm vụ săn tìm vật chất bí ẩn bậc nhất vũ trụ" - Thành viên nhóm LUX-ZEPLIN, Chamkaur Ghag tại Đại học College London (Anh) cho biết.

Chính xác thì vật chất tối là gì? Chất vô hình chiếm 85% tổng số vật chất trong vũ trụ nhưng không thể nhìn thấy ngay cả với các công cụ khoa học tiên tiến nhất của chúng ta?

Lý thuyết về vật chất tối [ban đầu có tên là 'vật chất thiếu'] được hình thành vào năm 1930, khi các nhà thiên văn học nghiên cứu sự quay của các thiên hà xa xôi trong Quần tụ thiên hà Coma, họ nhận thấy rằng không có đủ vật chất - các ngôi sao, hành tinh, khí nóng - để giữ các thiên hà lại với nhau thông qua lực hấp dẫn. Phải có một khối lượng phụ nào đó giúp kết dính tất cả các vật chất hữu hình lại với nhau, nhưng nó không thể nhìn thấy được, không thể nhìn thấy được.

Các nhà khoa học tin rằng vật chất tối bao gồm khối lượng bị thiếu đó, đóng góp một đối trọng hấp dẫn mạnh mẽ giúp các thiên hà không bay xa nhau.

Nhiều thập kỷ sau vào những năm 1970, các nhà thiên văn học người Mỹ Vera Rubin và Kent Ford đã tìm thấy những điểm bất thường trong quỹ đạo của các ngôi sao trong các thiên hà.

Khám phá này đã làm dấy lên một giả thuyết trong cộng đồng khoa học rằng sự dị thường là do khối lượng 'vật chất tối' không nhìn thấy được, nằm trong và xung quanh các thiên hà.

Nhưng, kể từ đó vật chất tối vẫn chỉ là một lý thuyết.

Hầu hết các nhà khoa học tin rằng vật chất tối được làm từ các hạt ma quái hiếm khi va chạm vào môi trường xung quanh. Đó là lý do tại sao hàng tỷ hạt vật chất tối có thể lướt qua cơ thể chúng ta mỗi giây mà chúng ta không hề nhận ra. Các ứng cử viên hàng đầu cho các hạt vật chất tối là WIMP, hoặc các hạt khối lượng tương tác yếu. Chúng là các hạt thường đi qua vật chất bình thường mà không bị phát hiện.

Cấu trúc của vũ trụ ngày nay, bao gồm vô số cụm thiên hà và hàng tỷ thiên hà, đòi hỏi vật chất tối này phải được kết khối mạnh mẽ và không thể di chuyển quá nhanh vào thời điểm những cấu trúc này được hình thành. Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các hạt nặng chưa được biết đến trong nhiều thập kỷ, được gọi là WIMP.

Nếu những hạt này thực sự tồn tại, chúng sẽ chỉ tương tác với vật chất rất yếu, ngoại trừ lực hấp dẫn. Mặc dù chúng sẽ hình thành ở nhiệt độ cao ngay sau vụ nổ Big Bang, nhưng với sự mở rộng của vũ trụ, chúng sẽ nguội đi nhiều đến mức đủ chậm để hình thành cấu trúc. Tuy nhiên, vật chất tối có thể là những hạt khác, nhẹ hơn nhiều.

Điều hấp dẫn về các khả năng khác nhau của các hạt vật chất tối là sự tồn tại của chúng sẽ giải quyết đồng thời một câu đố quan trọng khác của vật lý hạt. Các trục sẽ giải thích một đối xứng hạt-phản hạt vẫn chưa được hiểu nhưng đã được quan sát bằng thực nghiệm.

Nhóm hơn 200 các nhà nghiên cứu làm việc ở tiểu bang Nam Dakota chỉ là một trong số rất nhiều nhóm các nhà khoa học trên thế giới hy vọng trở thành những người đầu tiên chứng minh vật chất tối tồn tại.

Theo lý thuyết, vật chất tối là một chất giả định được cho là chiếm khoảng 85% vũ trụ. Vật chất bí ẩn không nhìn thấy được vì nó không phản chiếu ánh sáng, và chưa bao giờ được các nhà khoa học quan sát trực tiếp.

Các nhà thiên văn học biết nó có thể tồn tại ở ngoài vũ trụ vì tác động hấp dẫn của nó đối với vật chất đã biết.

Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) cho biết: "Hãy chiếu một ngọn đuốc trong một căn phòng tối hoàn toàn, và bạn sẽ chỉ thấy những gì ngọn đuốc chiếu sáng. Điều đó không có nghĩa là không gian xung quanh bạn không tồn tại. Tương tự như vậy, chúng ta biết vật chất tối tồn tại nhưng chưa bao giờ quan sát nó trực tiếp".

Theo các nhà khoa học, vật chất này được cho là 'chất keo' hấp dẫn giữ các thiên hà lại với nhau ở khoảng cách hợp lý. Cho đến nay, chỉ có 5% vũ trụ quan sát được bao gồm các vật chất đã biết như nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử.

Bên cạnh vật chất tối, thì neutrino cũng là bí ẩn của vũ trụ. Chúng là một hạt hạ nguyên tử rất giống với electron, nhưng không có điện tích và khối lượng rất nhỏ, thậm chí có thể bằng không. Neutrino là một trong những hạt phong phú nhất trong vũ trụ. Tuy nhiên, vì chúng có rất ít tương tác với vật chất nên chúng cực kỳ khó phát hiện.

Theo thực nghiệm, việc tìm kiếm vật chất tối và tìm kiếm khối lượng neutrino đang phải đối mặt với những thách thức tương tự.

Theo Scientificamerican, để phát hiện neutrino, cần phải có các máy dò rất lớn và siêu nhạy. Thông thường, một hạt neutrino năng lượng thấp sẽ di chuyển qua nhiều năm ánh sáng của vật chất bình thường trước khi tương tác với bất cứ thứ gì. Do đó, tất cả các thí nghiệm neutrino trên mặt đất đều dựa vào việc đo lường phần nhỏ neutrino tương tác trong các máy dò có kích thước hợp lý.

Wolfgang Pauli - Nhà vật lý lý thuyết người Áo và là một trong những nhà tiên phong của vật lý lượng tử - là người lần đầu tiên công nhận sự tồn tại của neutrino vào năm 1930.