Cỗ máy 60 triệu USD chuyên dò vật chất tối ở độ sâu 1,6 km

[june04]

Cỗ máy trị giá 60 triệu USD đặt bên dưới dãy núi ở Nam Dakota có thể khám phá bản chất của vật chất tối, một trong những bí ẩn lớn nhất trong ngành vật lý.

Thí nghiệm vật chất tối LUX-ZEPLIN (LZ) ở Cơ sở nghiên cứu dưới lòng đất Sanford tại bang Nam Dakota. Ảnh: UCL

Nằm ở độ sâu gần 1,6 km bên dưới dãy núi Black Hills thuộc bang Nam Dakota, thí nghiệm LUX-ZEPLIN (LZ) được vận hành bởi đội ngũ 250 nhà khoa học, đứng đầu là Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) , đã thành công vượt qua giai đoạn kiểm tra trong quá trình khởi động. Nhiệm vụ của cỗ máy là phát hiện các hạt cấu thành vật chất tối lần đầu tiên.

Máy dò LZ đã hoạt động từ tháng 12/2021. Kết quả trên phản ánh 60 ngày hoạt động đầu tiên của cỗ máy. "Chúng tôi đã sẵn sàng và mọi thứ đều có vẻ tốt", Kevin Lesko, phát ngôn viên của dự án LZ kiêm nhà vật lý ở Berkeley Lab, cho biết. "Đây là một máy dò phức tạp với nhiều bộ phận và tất cả đều vận hành tốt như mong đợi".

Vật chất tối chiếm khoảng 85% lượng vật chất đã biết trong vũ trụ, nhưng do loại vật chất này không tương tác với ánh sáng, giới nghiên cứu không thể quan sát nó. Tương tự, bất cứ hạt nào cấu thành vật chất tối đều không tương tác mạnh mẽ với vật chất khác. Trên thực tế, cách duy nhất để các nhà khoa học có thể suy ra sự tồn tại của vật chất tối là qua ảnh hưởng từ lực hấp dẫn của nó, qua đó những ngôi sao không bị rơi khỏi thiên hà trong lúc xoay tròn. Giới nghiên cứu biết rằng, vật chất tối không cấu tạo từ photon và neutron như vật chất thông thường.

Máy dò LZ được lắp đặt để chuyên nghiên cứu một loại vật chất tối giả định gọi là hạt khối lượng lớn tương tác yếu (WIMP). WIMP hiếm khi va chạm với vật chất và tương tác cực kỳ yếu nếu va chạm xảy ra. Hiện nay, giới khoa học chưa trực tiếp phát hiện hạt vật chất tối nào nhưng họ hy vọng máy dò LZ có thể thay đổi điều đó bằng cách nhận biết tương tác giữa WIMP và nguyên tử xenon. Điều này đòi hỏi một máy dò rất nhạy, triệt tiêu tất cả tiếng ồn đe dọa ảnh hưởng tới quá trình phát hiện.

Xenon trong thí nghiệm LZ nằm trong hai bể titan chứa 10 tấn nguyên tố này ở dạng lỏng. Những bể đó được theo dõi bởi hai cụm đèn nhân quang điện (PMT) nhằm tìm kiếm nguồn sáng yếu. Bể và máy dò thành phần cũng nằm bên trong hệ thống dò lớn hơn, có thể thu bất kỳ hạt nào giống tín hiệu của vật chất tối và loại trừ khỏi công cuộc tìm kiếm vật chất tối thực sự.

Để phát hiện tương tác yếu, bể xenon phải được duy trì ở mức -100 độ C. Ngoài ra. Nhóm nghiên cứu LZ phải loại bỏ tất cả bức xạ nền tự nhiên từ máy dò. Một bể nước ngăn cách thí nghiệm với bức xạ tự nhiên phát ra từ tường phòng thí nghiệm. Vị trí dưới lòng đất của máy dò vật chất tối giúp bảo vệ cỗ máy trước photon năng lượng cao và hạt nhân nguyên tử di chuyển qua không gian ở tốc độ gần bằng vận tốc ánh sáng, có nguồn gốc từ Mặt Trời và tia vũ trụ.

Độ nhạy của máy dò LZ sẽ được tăng cường trong 1.000 ngày tới, có nghĩa đây chỉ là khởi đầu của thí nghiệm. Theo Hugh Lippincott, phát ngôn viên dự án LZ từ Đại học California Santa Barbara, họ đang lên kế hoạch thu thập dữ liệu nhiều gấp 20 lần trong những năm tới.