Kết quả từ thí nghiệm LUX-ZEPLIN (LZ) đánh dấu một bước tiến lớn trong việc xác định bản chất thực sự của vật chất tối.

Việc tìm ra bản chất của vật chất tối-loại vật chất vô hình chiếm phần lớn khối lượng trong vũ trụ-là một trong những câu đố lớn nhất của vật lý học. Các kết quả mới nhất từ LUX-ZEPLIN (LZ), máy dò vật chất tối nhạy nhất thế giới, đã thu hẹp đáng kể phạm vi tìm kiếm một trong những ứng cử viên hàng đầu cho vật chất tối: hạt khối lượng lớn tương tác yếu (WIMPs).

Hugh Lippincott, nhà vật lý thực nghiệm tại Đại học California Santa Barbara, cho biết: "Dù chúng tôi luôn hy vọng khám phá ra một hạt mới, việc đặt ra các giới hạn về bản chất thực sự của vật chất tối cũng vô cùng quan trọng đối với ngành vật lý hạt." Các nhà khoa học đã nghi ngờ sự tồn tại của vật chất tối trong nhiều thập kỷ, nhưng nó vẫn là một ẩn số dù đóng vai trò nền tảng trong cấu trúc của vũ trụ.

Máy dò siêu nhạy sâu dưới lòng đất

Thí nghiệm LZ săn tìm vật chất tối từ một hang động sâu gần 1,6 km dưới lòng đất tại Cơ sở Nghiên cứu Ngầm Sanford (SURF) ở Nam Dakota. Kết quả mới nhất phân tích dữ liệu trong 280 ngày, giúp khám phá các tương tác của vật chất tối ở mức độ yếu hơn bao giờ hết và giới hạn chặt chẽ hơn nữa các đặc tính của WIMP. Thí nghiệm dự kiến sẽ thu thập đủ 1.000 ngày dữ liệu trước khi kết thúc vào năm 2028.

Phần lõi của máy dò LZ bao gồm hai bể titan lồng vào nhau chứa mười tấn xenon lỏng siêu tinh khiết và trong suốt. Môi trường xenon đặc này tạo ra một không gian cực kỳ cô lập, không bị ảnh hưởng bởi "tiếng ồn" từ thế giới bên ngoài, lý tưởng để ghi lại những tín hiệu dù là nhỏ nhất có thể là dấu hiệu của WIMP. Các nhà khoa học hy vọng một hạt WIMP sẽ va vào hạt nhân xenon, khiến nó di chuyển, giống như một cú va chạm trong trò chơi bi-a. Bằng cách thu thập ánh sáng và electron phát ra trong tương tác, LZ ghi lại các tín hiệu WIMP tiềm năng.

Loại bỏ các tín hiệu "giả mạo"

Độ nhạy của LZ đến từ vô số cách mà máy dò có thể giảm thiểu tín hiệu nhiễu-những tín hiệu sai có thể giả dạng hoặc che giấu tương tác của vật chất tối. Vị trí sâu dưới lòng đất giúp che chắn máy dò khỏi các tia vũ trụ. Để giảm bức xạ tự nhiên, LZ được chế tạo từ hàng nghìn bộ phận siêu sạch, có độ phóng xạ thấp. Máy dò được thiết kế như một củ hành, với mỗi lớp có nhiệm vụ chặn bức xạ bên ngoài hoặc theo dõi các tương tác hạt để loại trừ những "kẻ giả mạo" vật chất tối. Các kỹ thuật phân tích tinh vi cũng giúp loại bỏ các tương tác nền không mong muốn.

Những "kẻ giả mạo" WIMP và cách đối phó

Neutron, một loại hạt hạ nguyên tử, là một trong những "kẻ giả mạo" WIMP phổ biến nhất. Chúng cũng tương tác với hạt nhân xenon và tạo ra tín hiệu giống hệt như những gì được mong đợi từ WIMP. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế Máy dò Ngoài (Outer Detector - OD). Bộ phận này có khả năng phát hiện neutron cực tốt. Nếu một tín hiệu trông giống WIMP xuất hiện ở lõi xenon nhưng đồng thời OD cũng ghi nhận một xung, tín hiệu đó sẽ bị loại bỏ.

Radon cũng là một "kẻ giả mạo" khác. Các nhà khoa học có thể xác định sự hiện diện của radon bằng cách theo dõi toàn bộ chuỗi phân rã đặc trưng của nó trong máy dò, từ đó tránh nhầm lẫn với WIMP.

Kỹ thuật "ướp muối" để đảm bảo tính khách quan

Để có được kết quả đáng tin cậy và loại bỏ thiên kiến vô thức, nhóm LZ đã áp dụng một kỹ thuật gọi là "salting" (ướp muối). Họ chủ động thêm các tín hiệu WIMP giả vào trong quá trình thu thập dữ liệu. Bằng cách "ngụy trang" dữ liệu thật cho đến khi "gỡ muối" ở bước cuối cùng, các nhà nghiên cứu có thể đảm bảo phân tích của mình hoàn toàn khách quan. Scott Haselschwardt, điều phối viên vật lý của nghiên cứu, cho biết: "Khi bạn tiến vào một vùng đất chưa ai khám phá, điều quan trọng là không để bất kỳ thiên kiến nào xen vào. Nếu bạn có một khám phá, bạn phải chắc chắn nó hoàn toàn đúng."

Tương lai của cuộc săn tìm

Với những kết quả này, phạm vi tồn tại của WIMP đã bị thu hẹp đáng kể. Điều này cho phép các nhà khoa học trên toàn thế giới tập trung tìm kiếm hiệu quả hơn và loại bỏ các mô hình sai về vũ trụ.

Thí nghiệm LZ không chỉ tìm kiếm WIMP mà còn nhạy cảm với các sự kiện hiếm gặp khác trong vật lý, chẳng hạn như neutrino mặt trời, các phân rã hiếm gặp của đồng vị xenon, và thậm chí cả các loại vật chất tối khác.

LZ là một dự án hợp tác của khoảng 250 nhà khoa học từ 38 viện nghiên cứu tại Mỹ, Anh, Bồ Đào Nha, Thụy Sĩ, Hàn Quốc và Úc. Nhóm nghiên cứu đã lên kế hoạch cho các bước tiếp theo, bao gồm nâng cấp LZ và xây dựng một máy dò thế hệ mới có tên là XLZD.

P.T.T (NASTIS), theo Nanowerk Spotlight, 10/2025