Cuộc đua tìm vật chất tối đang nóng dần

Sau khi tìm được "hạt của Chúa", các nhà vật lý lại lao đầu vào một cuộc đua mới - truy tìm vật chất tối (dark matter), thứ vật chất được cho nắm giữa chìa khoá về sự vận động của các thiên hà trong vũ trụ.

Năm nay, cuộc tìm kiếm vật chất tối dường như đang thống trị tâm trí của rất nhiều các nhà vật lý. Đây là một vấn đề vô cùng hấp dẫn. Chúng ta đã thu thập được rất nhiều bằng chứng về lực hấp dẫn của vật chất tối theo quy mô chiều dài, từ các thiên hà đơn lẻ đến các cụm thiên hà - cho tới nền vi sóng vũ trụ. Những bằng chứng này đa dạng đến nỗi sẽ thật khó có thể tượng tượng ra lời giải đáp nào thích hợp hơn cho định luật vạn vật hấp dẫn bằng loại vật chất "không nhìn thấy được" này.

Vật chất tối rất khó nắm bắt.

Tuy nhiên, vật chất tối vẫn rất khó nắm bắt. Chúng ta sẽ thảo luận chi tiết hơn ở phần sau. Nhưng nếu có thể phát hiện ra vật chất tối, chúng ta sẽ được chứng kiến chúng trong một ngày rất gần.

Thăm dò ngoài vũ trụ

Thế chúng ta phát hiện vật chất tối như thế nào? Francesca Calore đến từ ĐH Amsterdam (Hà Lan) đã trình bày các kết quả quan sát về sự sản sinh tia gamma và tia vũ trụ. Ý tưởng ở đây là vật chất tối tạo thành một vầng hào quang các hạt di chuyển tương đối chậm xung quanh các thiên hà, nơi mà các hạt này thỉnh thoảng lại va vào nhau. Khi chúng va vào nhau, các hạt vật chất bị phá hủy và sinh ra một loại hạt năng lượng cao mà chúng ta có thể phát hiện được. Theo một số cách phân rã có thể xảy ra, chúng ta nhận được tia gamma cùng với/hoặc các tia vũ trụ.

Kính thiên văn Euclid được phóng lên để tìm vật chất tối và năng lượng tối.

Các tia gamma thực chất cũng giống như các tia sáng thông thường, nhưng chúng có năng lượng rất cao. Vì thế nên chúng di chuyển xuyên qua các thiên hà mà gần như không bị cản trở. Nghĩa là chúng ta có thể chỉnh các máy thăm dò hướng lên trời và ghi nhận mức năng lượng, cường độ cũng như hướng đi của các tia gamma năng lượng cao. Những dữ liệu này có thể được dùng để so sánh với các phỏng đoán từ những nguồn thiên văn mà chúng ta đã biết.

Thực ra, công việc này phức tạp hơn chúng ta tưởng rất nhiều. Đầu tiên, bạn cần phải xem xét tất cả các quá trình sinh ra tia gamma có thể và loại trừ những nguồn đó. Sau đó, bạn phải tạo ra một mô hình phân bố vật chất tối và xem liệu có bất kỳ tín hiệu dư thừa quan sát được nào có mối quan hệ với các khối vật chất tối đã được dự đoán trước hay không.

Cuối cùng, bạn cần phải kiểm tra quang phổ năng lượng của các tia gamma và xem liệu chúng có thuộc đúng dải năng lượng và cường độ năng lượng (hình dạng quang phổ) phù hợp với thứ được mong đợi từ sự phá huỷ vật chất tối hay không.

Tất cả những điều này nghe có vẻ thật lạ lùng. Chúng ta chẳng biết vật chất tối là gì, thế thì làm sao biết được chính xác dải năng lượng mà tia gamma cần phải có? Ồ, thực tế thì không hẳn như vậy. Ví dụ, chúng ta có rất nhiều dữ liệu vật lý hạt và rất nhiều các quan sát có thể loại trừ toàn bộ những dải năng lượng đã biết. Nếu những năng lượng dư thừa xuất hiện trong khu vực quang phổ mà chúng ta đã biết là không thuộc sự phá huỷ vật chất tối thì chúng là những tín hiệu giả.

Đem so sánh những thông tin này với những gì chúng ta đã biết, ta thấy có một nguồn tín hiệu giống như là của vật chất tối. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa biết hết tất cả các quá trình sản sinh tia gamma. Rất có thể có một nguồn tia gamma nào đó xuất hiện trùng hợp với những điểm nóng được chúng ta quan sát. Những nguồn tia gamma này có thể xuất phát từ các đối tượng thiên văn như các thiên hà ẩn giấu mà chúng ta chưa biết đến trong suốt quá trình quan sát vũ trụ.

Cụm đám thiên hà Abell 3827 với các vòng xanh được cho là nơi hiện diện vật chất tối.

Để loại trừ giả thuyết này, nhóm nghiên cứu sẽ tập trung các kính viễn vọng vô tuyến vào những nguồn khả thi và xem xem liệu có gì ở đó hay không. Nếu không có gì nghĩa là thêm một giả thuyết nữa bị loại trừ. Tuy nhiên, sau đó vẫn còn rất nhiều việc cần phải làm.

Trong bất kỳ trường hợp nào, mỗi khi chúng ta phát hiện sự dư thừa các tia vũ trụ, rất có thể đó là do vật chất tối. Nhưng bức tranh toàn cảnh còn tăm tối hơn nhiều, bởi có quá nhiều các tia vũ trụ. Nếu tất cả đều là do vật chất tối gây ra, chúng sẽ mâu thuẫn với các phép đo loại trừ khả năng vật chất tối. Rõ ràng rằng dù trong trường hợp nào thì chúng ta cũng còn rất nhiều việc cần phải làm, nhưng đây thực sự là một khoảng thời gian đầy thú vị.

Thăm dò trên Trái Đất

Rất nhiều người dành thời gian ở đáy các hầm mỏ sâu trong lòng đất, hy vọng thăm dò được vật chất tối tại đó. Trong trường hợp này, chúng ta dựa trên thực tế rằng Hệ Mặt Trời đang quay trên quỹ đạo quanh Dải Ngân Hà, với mặt phẳng của hệ nghiêng một góc so với mặt phẳng thiên hà. Kết quả là Trái Đất của chúng ta lao ngược dòng vật chất tối (nếu có) vì Mặt Trời kéo chúng ta quay vòng quanh thiên hà cùng với nó. Tuy nhiên, cũng giống như Trái Đất quay quanh Mặt Trời, chúng ta trải qua các dòng vật chất tối lúc yếu, lúc mạnh, giống như các mùa trên Trái Đất.

"Cơn gió vật chất tối (WIMP) thổi ngược chiều" khi hệ Mặt Trời bay trong Dải Ngân Hà.

Ý tưởng này đã trở thành chủ đề của một cuộc tìm kiếm mở rộng, và sự hợp tác DAMA ở Ý đã khẳng định đã phát hiện ra vật chất tối gần một thập kỷ qua. Thật vậy, những tín hiệu đó đều nhất quán rằng chúng đã vượt quá 9 độ lệch chuẩn (trong vật lý hạt, chỉ cần 5 độ lệch chuẩn đã có thể công bố một loại hạt mới)

Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có máy thăm dò nào khác dò được tín hiệu này cả. Thật vậy, Laura Baudis đến từ trường ĐH Zurich (Thuỵ Sỹ) cùng với Patrick Decowski và Andrew Brown đến từ Nikhef, Amsterdam đã trình bày kết quả từ hợp tác XENON, cho thấy người ta đã loại trừ rất nhiều giải thích khả thi về vật chất tối đối với tín hiệu DAMA. Hơn nữa, họ cũng còn rất nhiều dữ liệu cần phải phân tích. Tuy nhiên, chìa khóa thực sự sẽ là một kiểu xác minh độc lập. Để có thể cung cấp được những dữ liệu này, một bản sao thí nghiệm DAMA đang được xây dựng tại Nam Cực.

Những quan sát mâu thuẫn nhau không hẳn là một cuộc tranh cãi ở thời điểm hiện tại. Trong trường hợp phát hiện vật lý thiên văn, bạn cần phải loại trừ rất nhiều tín hiệu nền khỏi những thí nghiệm này.

Ảnh concept về độ lệch mặt phẳng quỹ đạo hệ Mặt Trời với Dải Ngân Hà.

Ý tưởng cơ bản sau những thăm dò này là một hạt vật chất tối đôi khi có thể va chạm với những hạt cơ bản khác. Sự dội lại tín hiệu từ va chạm ấy có thể gây ra những điều sau: phát nhiệt, phát quang nếu hạt nhân bất ngờ di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng cục bộ (ánh sáng di chuyển trong vật chất chậm hơn trong chân không), hoặc phát quang bằng cách tách rời một vài electron khỏi nguyên tử. Tất cả những biến cố này cũng có thể được tạo ra bởi hoạt động phóng xạ nền, các tia vũ trụ trong không gian và các yếu tố không mong muốn khác.

Việc loại trừ những biến cố này không chỉ đòi hỏi sự hiểu biết mức độ thường xuyên xảy ra, mà còn đòi hỏi vật liệu bạn dùng để làm cảm biến đáp lại những khả năng khác nhau này phải có độ nhạy cao nữa. Điều đó nghĩa là quá trình này có độ bất ổn khá cao. Máy thăm dò XENON được vận hành lần cuối cùng là để dành riêng cho việc giảm bớt những bất ổn này.

Hợp tác XENON đang trên đà hoàn thành nâng cấp: các nhà nghiên cứu đang tăng cường kích thước các công cụ để chúng có thể chứa được 1 tấn xenon (một nguyên tố hoá học) lỏng trong khoang thăm dò (trước đó là 62kg xenon). Đồng thời, họ cũng hy vọng loại trừ được một lượng lớn các tín hiệu nền. Ở thời điểm hiện tại, người ta ghi nhận được 1 biến cố trên 10kg xenon mỗi năm, nhưng họ muốn giảm chúng xuống còn 1 biến cố trên 1 tấn xenon mỗi năm. Đó sẽ là một thành tựu đáng kể.

Sẽ cần nhiều thời gian hơn để các nhà vật lý loại bỏ các tham số "độ ồn" khỏi kết quả quan sát vật chất tối.

Nhiều xenon hơn, chúng ta sẽ hiểu cách xenon phản ứng với bức xạ nền hơn, giảm mức độ ồn tín hiệu hơn. Chương trình hợp tác XENON đang mong chờ một mùa 2016 bội thu. Tuy nhiên, đây vẫn chưa phải là giới hạn tham vọng của các nhà nghiên cứu. Họ vẫn đang trong giai đoạn lên kế hoạch nâng cấp XENON thành một thiết bị chứa được nhiều tấn xenon hơn nữa. Cuối cùng, họ muốn có thể tạo được quang phổ của vật chất tối, thứ đòi hỏi từ 1 đến 2 lần nâng cấp nữa. Những kế hoạch lớn cùng tương lai tươi sáng và đòi hỏi rất nhiều thời gian.