Ma trận
Senior Member
.....Vật chất tối- thứ vật chất khó nắm bắt, không thể chạm tới, có vai trò liên kết các thiên hà lại với nhau. Và lần đầu tiên sau nhiều thập kỷ, một tín hiệu mờ ảo có thể đánh dấu lần đầu tiên một hạt vật chất tối được phát hiện.
Vào ngày 16 tháng 6 năm 2023, ở độ sâu gần một dặm dưới bề mặt Trái đất, một sự kiện kỳ lạ đã xảy ra. Nhiều người lúc đầu có thể nghĩ rằng đó chỉ là một hạt vật chất bình thường va chạm với một hạt vật chất bình thường khác. Nhưng vào ngày 1 tháng 9 năm 2026, các nhà vật lý đã tuyên bố rằng có 99,5% khả năng vụ va chạm này do một thứ mà họ chưa từng phát hiện ra trước đây gây ra—một hạt vật chất tối bí ẩn.
Vật chất tối được cho là chất keo vô hình liên kết vũ trụ lại với nhau. Nếu không có nó, tất cả vật chất thông thường, hữu hình mà chúng ta nhìn thấy xung quanh sẽ không thể tạo thành vũ trụ như ngày nay. Nhưng vì không thể phát hiện trực tiếp, các nhà khoa học không biết vật chất tối được cấu tạo từ hạt nào, nếu chúng thật sự tồn tại.
Việc tìm kiếm các hạt vô hình ấy là bất khả thi, nhưng chúng có thể để lại dấu vết trên đường đi của mình, các nhà nghiên cứu đã dành hàng thập kỷ để săn lùng những dấu vết mà chúng có thể để lại như một cái bóng trên tường hay dấu chân trên cát. Vụ va chạm nhỏ 16 tháng 6 diễn ra tại Cơ sở Nghiên cứu Dưới lòng đất Sanford ở Nam Dakota có thể là dấu hiệu tốt nhất từ trước đến nay cho thấy vật chất tối thực sự được tạo thành từ các hạt—cụ thể là các Hạt Khối lượng lớn Tương tác Yếu, hay WIMP.
“Mặc dù chúng tôi rất hào hứng, nhưng chúng tôi cũng cần phải thận trọng,” Daniel Akerib , một nhà vật lý hạt tại Đại học Stanford và là một trong số rất nhiều chuyên gia tham gia vào nghiên cứu mới này, cho biết.
Các thí nghiệm khác trước đây đã gợi ý về khả năng tồn tại của các hạt vật chất tối, nhưng cuối cùng đều thất bại. Để xác minh tín hiệu WIMP, các nhà nghiên cứu sẽ cần thêm dữ liệu. “ Đây là một hiện tượng hấp dẫn và tiềm năng, chứ không phải bằng chứng,” Chamkaur Ghag , một nhà vật lý tại Đại học College London và là một trong những nhà nghiên cứu của nhóm, cho biết. Nhưng nếu các nhà khoa học phát hiện thêm những vụ va chạm kỳ lạ này, thì cuộc tìm kiếm gần một thế kỷ để khám phá bản chất thực sự của vật chất tối cuối cùng có thể sẽ đi đến hồi kết.
Máy dò có tên LUX-ZEPLIN hoặc LZ (hình ảnh trong quá trình lắp đặt), đã thu được tín hiệu vật chất tối tiềm năng này, được bao bọc bởi nhiều lớp chắn để giảm thiểu nhiễu nền.
MATTHEW KAPUST/CƠ SỞ NGHIÊN CỨU NGẦM SANFORD
Bí ẩn khó hiểu về vật chất tối
Đối với chúng ta, dường như vật chất thông thường thống trị vũ trụ. Nhưng vật chất tối — lần đầu tiên được dự đoán lý thuyết như là một thứ vật chất có khối lượng nhưng vô hình vào những năm 1930, sau đó được nghi ngờ là một hạt bất thường vào những năm 1970 — chiếm đến 85% tổng lượng vật chất trong vũ trụ. Điều này dựa trên nhiều quan sát về vũ trụ khả kiến và đánh giá về các lực hấp dẫn dường như đang định hình các thiên hà của nó.
“ Chúng ta biết rằng vật chất tối tồn tại,” Daniel Whiteson , một nhà vật lý hạt tại Đại học California Irvine, cho biết. “Có rất nhiều bằng chứng độc lập chứng minh điều đó.” Các ngôi sao sẽ không bốc cháy chỉ dưới tác động của vật chất thông thường và lực hấp dẫn của nó. Các thiên hà quay sẽ bị xé toạc nếu không có lực hấp dẫn từ thứ vật chất tối này. Ánh sáng bị bẻ cong tạo thành một quá trình được gọi là thấu kính hấp dẫn. Tất cả điều này chỉ có ý nghĩa nếu có một lượng lớn vật chất tối hiện diện."
“Các nhà vũ trụ học gặp khó khăn trong việc xây dựng một vũ trụ—hay đúng hơn là một mô hình của vũ trụ—nếu không có vật chất tối,” Akerib nói. “Nhưng vật chất tối là gì?”
Vật chất tối có lẽ ở khắp mọi nơi, nhưng vì nó không tương tác với ánh sáng nên vô hình. Nhưng chắc chắn nó tương tác với trọng lực, điều đó có nghĩa là nó có thể có khối lượng và tồn tại dưới dạng hạt.
Nhiều ứng cử viên tiềm năng đã được đưa ra. Nhưng “WIMP luôn là ứng cử viên hàng đầu vì đây là lý thuyết đơn giản nhất”, Whiteson nói. Mặc dù nặng nề và chuyển động chậm chạp, những hạt này được cho là hầu như luôn xuyên qua vật chất thông thường mà không gây ra sự cố nào. Từ “hầu như” là mấu chốt: Trong những trường hợp cực kỳ hiếm hoi, chúng có thể va chạm với hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố thông thường.
Nhưng hiện tượng va chạm giữa hạt WIMP và các hạt thông thường được cho là cực kỳ hiếm gặp đến mức chỉ những máy dò nhạy nhất mới có thể phát hiện ra nó. Trong nhiều năm, các thí nghiệm trên khắp thế giới ngày càng được mở rộng và tinh vi hơn về mặt công nghệ, tất cả đều với hy vọng bắt được một hạt vật chất tối vô tình va chạm với một nguyên tử thông thường.
“Họ chưa từng thấy bất kỳ dấu hiệu nào của điều đó cả,” Whiteson nói.
Một cuộc phiêu lưu dưới lòng đất Nam Dakota
Thí nghiệm thu được tín hiệu WIMP tiềm năng được gọi là LUX-ZEPLIN — hay LZ, theo cách gọi của các nhà vật lý. Trái tim của LZ là một bể chứa đầy xenon lỏng. “Xenon là một mục tiêu tuyệt vời,” Ann Wang , một nhà vật lý hạt tại Phòng thí nghiệm Gia tốc Quốc gia SLAC ở California và là thành viên của nhóm nghiên cứu LZ, cho biết. Một lý do là xenon rất thích tạo ra "những màn trình diễn pháo hoa".
Nếu một hạt lạc hướng bay vào bể này và va chạm với hạt nhân của nguyên tử xenon, xenon sẽ phát ra một tia sáng; đồng thời, nó phóng ra các electron trôi nổi lên trên bề mặt bể, nơi các bộ detector nhạy sáng đang chờ đợi.
Nếu một WIMP va chạm với hạt nhân xenon, nó sẽ tạo ra một cặp tín hiệu nhấp nháy, mỗi tia có một mức năng lượng đặc biệt mà vật chất thông thường không thể tạo ra.
“Một thách thức lớn là có những thứ khác có thể tiếp cận bể chứa và va chạm với các nguyên tử xenon,” Whiteson nói. Trong số những tác nhân xâm nhập này, đáng kể nhất là tia gamma và các hạt neutron được tạo ra bởi mặt trời và các nguồn vũ trụ khác.
Đó là lý do tại sao cơ sở ở Nam Dakota, nơi đặt LZ, nằm sâu khoảng 4.850 feet dưới lòng đất, trong một mỏ vàng cũ : Trần đá khổng lồ lọc bỏ rất nhiều bức xạ từ không gian. (Đây là phòng thí nghiệm dưới lòng đất sâu nhất ở Hoa Kỳ.) Bể thí nghiệm cũng có nhiều lớp chắn, sử dụng cả các nguyên tố đặc biệt và nước siêu tinh khiết, để ngăn chặn các hạt lạc. Các vật liệu cấu thành nên những bể chứa giống như búp bê Nga lồng nhau này cũng cực kỳ sạch, có nghĩa là chúng chỉ phát ra một lượng rất nhỏ nhiễu nền.
Tuy nhiên, vẫn có rất nhiều tương tác vật chất thông thường có thể bị nhầm lẫn với các hạt vật chất tối lọt qua. Vì vậy, kể từ khi bắt đầu các hoạt động khoa học vào tháng 12 năm 2021, các nhà khoa học của LZ đã vô cùng thận trọng trong quá trình tìm kiếm của họ.
Trong quá trình tìm kiếm vật chất tối, LZ đã sử dụng các ống nhân quang để thu nhận các tia sáng từ sự tương tác của các hạt
MATTHEW KAPUST/PHÒNG THÍ NGHIỆM NGHIÊN CỨU NGẦM SANFORD
Từ tháng 3 năm 2023 đến tháng 4 năm 2024, các nhà vật lý đã phân tích từng tia sáng nhấp nháy mà detector ghi nhận. Tất cả các tia sáng này đều cho thấy chúng đến từ sự tương tác của Xenon với vật chất thông thường. Nhưng rồi điều kỳ lạ đã xảy ra, vào ngày 16 tháng 6 năm 2023, một thứ gì đó đã va chạm với hạt nhân xenon và làm sáng thiết bị dò, theo cách mà vật chất thông thường không thể giải thích được.
“Chỉ sau một nỗ lực rất lớn của nhóm phân tích, chúng tôi mới nhận ra rằng mình có thể đã tìm thấy điều gì đó đặc biệt,” Samuel Eriksen , một nhà vật lý tại Đại học Bristol ở Anh, thành viên của nhóm nghiên cứu mới, cho biết.
Liệu chúng ta cuối cùng đã tìm thấy hạt vật chất tối?
Như đã được công bố tuần này tại hội nghị Vật lý thiên văn hạt TeV 2026 ở Tendo, Nhật Bản, và như đã trình bày trong một bài báo chưa được bình duyệt, sự kiện đơn lẻ đó có thể liên quan đến một WIMP—một hạt có khối lượng ít nhất gấp 200 lần khối lượng của một proton.
“Kết quả của LZ rất thú vị,” Michael Keim , một nhà thiên văn học tại Đại học Yale, cho biết, nhất là vì nó cho thấy mạnh mẽ rằng vật chất tối là một hạt có thật, chứ không phải—như một số người hoài nghi trước đây đã đề xuất—là một lỗ hổng trong hiểu biết của chúng ta về trọng lực.
Hiểu biết hiện tại của chúng ta về mối liên hệ giữa các thành phần cấu tạo và các lực cơ bản của vũ trụ — một hệ thống được gọi là Mô hình Chuẩn — không bao gồm bất kỳ hạt vật chất tối nào được xác nhận chính thức. “Một hạt WIMP được xác nhận ở khối lượng này sẽ là bằng chứng thực nghiệm trực tiếp đầu tiên của chúng ta về vật lý vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn,” Ghag nói. Ông nói thêm rằng đây là “điều mà các nhà vật lý hạt đã theo đuổi trong năm mươi năm qua.”
Về mặt thống kê, sự kiện này không phải là một khám phá mang tính quyết định; hoàn toàn không phải vậy. Xác suất màn trình diễn ánh sáng trong phòng thí nghiệm chỉ là một vụ va chạm hạt thông thường là 1 trên 200, quá cao đối với các nhà vật lý. Để sự kiện này được tuyên bố là một khám phá, phải có xác suất 1 trên 3,5 triệu rằng nó liên quan đến một thứ gì đó khác ngoài vật chất tối — một ngưỡng thống kê tiêu chuẩn vàng được gọi là 5-sigma.
Ghag cho biết, các ứng cử viên khác cho vật chất tối "vẫn đang tích cực tham gia cuộc đua". Axion là một dạng hạt được lý thuyết hóa khác của chất tối, cũng như các lỗ đen nhỏ bằng một nguyên tử duy nhất có thể đã xuất hiện trong những giây đầu tiên sau khi vũ trụ hình thành.
Nhưng LZ vẫn đang thu thập dữ liệu mỗi ngày. Nếu nó hoặc một thí nghiệm tương tự khác phát hiện ra các mô hình lóe sáng bất thường tương tự mà không có lời giải thích bằng vật chất thông thường, thì "niềm tin của chúng ta rằng WIMP là một phần của câu chuyện về vật chất tối sẽ tăng lên đáng kể", Eriksen nói.
Cũng có khả năng sự kiện này xuất phát từ một điều gì đó bình thường hơn – có lẽ là một neutron lạc hướng hoặc kết quả của một số quá trình phân rã phóng xạ. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn không khỏi cảm thấy hy vọng.
“Điều khiến trường hợp này khác biệt là chúng tôi đã nỗ lực tìm kiếm một lời giải thích thông thường, nhưng cho đến nay vẫn chưa tìm thấy,” Ghag nói. “Khi bạn dành nhiều năm để hiểu mọi cách mà máy dò của bạn có thể đánh lừa bạn, và rồi một sự kiện duy nhất xuất hiện mà không thể giải thích bằng bất kỳ lời giải thích nào bạn đưa ra, đó là lúc vật lý trở nên thú vị.”
Did Scientists Just Catch a Glimpse of a Dark Matter Particle?
Dark matter is an elusive, untouchable substance that binds galaxies together. A shadowy signal could signify the first time a particle has ever been detected.
.....
