[비즈한국] Vật chất tối. Đối với các nhà thiên văn học, đây vừa là một khái niệm vô cùng hấp dẫn, vừa là một sự tồn tại đầy phiền toái. Chúng ta cần vật chất tối để giải thích diện mạo của vũ trụ đang quan sát được, nhưng lại chưa thể nắm bắt được bằng chứng rõ ràng về thực thể thực sự của nó.
Khi nói về những bài toán hóc búa chưa có lời giải của vật chất tối, đôi khi người ta nói đùa rằng đây không còn là lỗi của các nhà thiên văn học mà là của các nhà vật lý học. Trong suốt nhiều thập kỷ qua, các nhà thiên văn đã quan sát sự chuyển động của các ngôi sao và thiên hà để suy đoán về sự tồn tại của vật chất tối, thậm chí đã phân loại được phần nào đặc tính của nó. Tuy nhiên, bản chất các nhà thiên văn chỉ là những người quan sát bầu trời.
Giờ đây, trách nhiệm thực sự nắm bắt "bóng ma" đó, vai trò của những "Ghostbusters" (thợ săn ma), phải được đặt vào tay các nhà vật lý học. Thế nhưng gần đây, các nhà vật lý đã tuyên bố rằng cuối cùng họ đã phát hiện ra điều gì đó đáng ngờ. Họ cho rằng sau một thời gian dài chờ đợi, biết đâu họ đã bắt được hạt vật chất tối. Liệu cuộc săn đuổi kéo dài này đã đơm hoa kết trái hay chưa?
Cần phải liệt kê lại các ứng cử viên của vật chất tối. Vì chưa biết rõ danh tính nên có khá nhiều ứng cử viên trong trí tưởng tượng.
Đầu tiên là WIMP (WIMP - Weakly Interacting Massive Particles). WIMP không chỉ một hạt cụ thể nào. Dựa trên tương tác ở quy mô lực yếu, đây là ứng cử viên hạt giả định tương tác cực kỳ hiếm hoi. WIMP tương đối nặng và có thể phản ứng với vật chất thông thường một cách hiếm hoi. Tiêu biểu có thể kể đến các hạt giả định như neutralino hay higgsino trong lý thuyết siêu đối xứng. Neutralino là hạt được tạo ra từ sự đan xen giữa các hạt đối xứng của các boson trung hòa trong Mô hình Chuẩn. Higgsino là đối tác siêu đối xứng của boson Higgs, có đặc điểm là fermion với spin bằng 1/2 thay vì bằng 0. Ứng cử viên "bóng ma" mà thí nghiệm LZ (LUX-ZEPLIN) đang săn đuổi chính là những hạt WIMP nặng như thế này.
Cũng có một ứng cử viên nhẹ hơn nhiều gọi là axion. Axion là một khái niệm được đề xuất để tính đối xứng không bị phá vỡ trong tương tác mạnh. Một loại hạt gọi là neutrino vô sinh (sterile neutrino), còn được gọi là neutrino thứ tư, cũng thường được nhắc đến như một ứng cử viên vật chất tối. Khác với các loại neutrino thông thường, đây là hạt neutrino giả định thậm chí không tham gia vào tương tác yếu mà chỉ chịu ảnh hưởng của trọng lực.
Những hạt vật chất tối nặng như WIMP có thể tạo ra tác động trực tiếp lên hạt nhân nguyên tử. Ngược lại, các hạt vật chất tối nhẹ như axion có thể để lại dấu vết trên electron dễ dàng hơn là hạt nhân. Nếu vật chất tối là neutrino, chúng ta có thể xác nhận gián tiếp sự tồn tại của nó thông qua việc quan sát sự phân bố năng lượng của các electron trong quá trình phân rã beta bên trong thiết bị thí nghiệm xem liệu nó có khác biệt nhỏ so với giá trị kỳ vọng hay không. Như vậy, phương pháp phát hiện sẽ thay đổi tùy thuộc vào loại hạt vật chất tối đó là gì.
Đáng tiếc là chúng ta thậm chí còn chưa biết vật chất tối thuộc loại hạt nào. Vì vậy, chúng ta không còn cách nào khác là phải mở ra mọi khả năng, đồng thời thực hiện thí nghiệm với mọi phương pháp mà chúng ta biết. Chỉ khi một tín hiệu rõ ràng được bắt được ở đâu đó, chúng ta mới có thể biết vật chất tối là loại hạt nào. Đây không giống như một cuộc điều tra mai phục chờ đợi kẻ tội phạm đã biết danh tính xuất hiện, mà giống như một tình huống hy vọng một kẻ tội phạm mà ngay cả danh tính cũng chưa biết sẽ tình cờ rơi vào lưới lọc của cuộc điều tra. Ngay cả khi bắt được thứ gì đó đáng ngờ, quá trình xác nhận xem đó có đúng là "kẻ tội phạm" mà chúng ta đang chờ đợi hay không cũng rất khó khăn và đòi hỏi sự thận trọng.
Thí nghiệm LZ tìm kiếm các ứng cử viên vật chất tối thuộc nhóm WIMP nặng có thể va chạm trực tiếp với hạt nhân nguyên tử. Cơ sở nghiên cứu dưới lòng đất Sanford được lắp đặt sâu 1,5 km dưới lòng đất tại bang South Dakota, Mỹ. Lý do khu vực săn tìm vật chất tối phải xuống sâu dưới lòng đất là vì các tia vũ trụ đổ xuống từ khắp mọi hướng. Trên bề mặt Trái đất, một cơn mưa các hạt như muon do tia vũ trụ tạo ra liên tục trút xuống. Những hạt này khi phản ứng với vật chất xung quanh cũng tạo ra neutron. Neutron vừa trung hòa về điện vừa có thể va chạm với hạt nhân nguyên tử. Chúng là những "kẻ khó chịu" không phải vật chất tối nhưng lại bắt chước vật chất tối. Lớp đá dày giúp giảm thiểu đáng kể các hạt này. Trong khi đó, vì WIMP mà chúng ta tìm kiếm được cho là hầu như không phản ứng với vật chất thông thường, nên nó có thể xuyên qua phần lớn lớp đá.
Tại trung tâm của thiết bị thí nghiệm LZ chứa 7 tấn xenon lỏng. Đây chính là thành phần mà nhân vật Rocky thuộc chủng tộc ngoài hành tinh trong bộ phim 'Project Hail Mary' sử dụng một cách thành thạo. Tất nhiên, không giống như chủng tộc Rocky, chúng ta không thể sử dụng xenon ở dạng rắn. Trong số xenon lỏng chứa bên trong, chỉ có khoảng 4,7 tấn ở phía trong buồng là được sử dụng thực tế để tìm kiếm vật chất tối. Điều này là do các vật liệu ở phía ngoài có nguy cơ bị ô nhiễm cao.
Lý do chọn xenon là vì hạt nhân của nó nặng. Xenon là nguyên tố có số nguyên tử 54 nên rất nặng. Xenon lỏng có mật độ nặng hơn nước khoảng 3 lần. Do đó, khả năng các hạt vật chất tối khó chịu va chạm với hạt nhân xenon và để lại dấu vết cao hơn một chút. Không chỉ vậy, lớp xenon ở ngoài còn đóng vai trò bảo vệ phần bên trong bằng cách che chắn các tia bức xạ bên ngoài. Xenon ổn định về mặt hóa học nên cũng có lợi trong việc loại bỏ tạp chất một cách chính xác.
Ưu điểm quan trọng nhất là khi WIMP va chạm với xenon, nó để lại hai loại ánh sáng cùng một lúc. Đầu tiên, ngay khi WIMP va chạm với hạt nhân xenon ở trạng thái lỏng, một tia chớp đầu tiên sẽ bắn ra trong vòng vài chục nano giây. Lúc này, nó phát ra tia cực tím có bước sóng 178nm ra mọi hướng, gọi là S1.
Trong quá trình này, các electron được giải phóng từ hạt nhân xenon. Các electron tự do này di chuyển lên trên theo điện trường. Chúng thoát ra tầng khí phía trên xenon lỏng và va chạm liên tiếp dữ dội với các nguyên tử xenon khác đang ở trạng thái khí. Sự va chạm này khiến các nguyên tử xenon bị kích thích một lần nữa và phát ra ánh sáng thứ hai. Đây gọi là S2.
S1 phát ra, và một lúc sau S2 liên tiếp phát ra. Thông qua độ trễ thời gian giữa hai tín hiệu, chúng ta có thể biết tín hiệu đầu tiên bắt đầu từ độ sâu bao nhiêu. Và thông qua hình dạng lan tỏa của ánh sáng được cảm biến quang học phía trên ghi nhận, chúng ta cũng có thể biết được vị trí nằm ngang nơi tín hiệu đầu tiên bắt đầu. Thông qua các tín hiệu trong khoảnh khắc nối tiếp nhau, chúng ta tái tạo một cách lập thể chính xác nơi bắt đầu và thời điểm bắt đầu của tín hiệu bên trong thiết bị dò.
Tác động hạt nhân khi WIMP va chạm trực tiếp với hạt nhân nguyên tử và tác động electron do các electron tự do thoát ra có hình thái tín hiệu khác nhau. Bằng cách so sánh tỷ lệ ánh sáng và điện tích được phát hiện từ mỗi tín hiệu, chúng ta có thể suy đoán hạt va chạm là gì. Bằng cách này, các nhà vật lý đã thiết lập một cái lưới chờ đợi vật chất tối dưới dạng WIMP một cách rất kỹ lưỡng. Giờ đây, mọi thứ phải phó mặc cho sự ngẫu nhiên của vũ trụ. Sự ngẫu nhiên mà chúng ta hy vọng có hai điều chính. Thứ nhất, hy vọng thân phận của vật chất tối phải là WIMP chứ không phải loại khác. Thứ hai, hy vọng WIMP đó phải xuyên qua đúng thiết bị dò này.
Cuộc săn đuổi kiên trì kéo dài tổng cộng 220 ngày từ tháng 3 năm 2023 đến tháng 4 năm 2024. Một tín hiệu đáng ngờ đã được phát hiện vào ngày 16 tháng 6 năm 2023, khá sớm sau khi cuộc săn bắt đầu. Các tín hiệu trông giống như S1 và S2 liên tiếp được phát hiện. Tuy nhiên, họ không vội vàng làm ầm ĩ ngay lập tức. Một thời gian kiểm chứng nội bộ khốc liệt và nghẹt thở hơn đã diễn ra. Họ thực hiện một kiểu thử nghiệm mù (blind test) với tâm trạng lo âu, liệu đó có phải là trò đùa của các neutrino khác hay tia vũ trụ lọt qua lớp đá hay không.
Ngay cả khi tín hiệu được phát hiện lúc đầu, các nhà nghiên cứu hoàn toàn không biết tín hiệu đó được ghi ở khu vực nào vì nó đã được mã hóa. Điều này là để tránh những hiểu lầm mang tính thiên vị nếu lỡ nhìn thấy dữ liệu đáng ngờ ở giữa chừng. Chỉ sau khi thu thập tất cả dữ liệu cuối cùng, họ mới mở dữ liệu ra xem. Làm như vậy mới có thể đánh giá một cách khách quan xem đó là tín hiệu có ý nghĩa thống kê bao nhiêu khi so sánh với toàn bộ dữ liệu thu thập được trong suốt thời gian quan sát.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu cũng chỉ xác nhận sau đó rằng tín hiệu đã được phát hiện vào tháng 6 năm 2023. Sự tồn tại của tín hiệu đáng ngờ lướt qua thiết bị dò trong tích tắc lúc bấy giờ chỉ được công bố với thế giới sau hơn 3 năm. Có thể nói đó là kết quả sau một quá trình kiểm tra rất kỹ lưỡng và quyết liệt.
Số lượng tín hiệu được sử dụng trong phân tích cuối cùng là 1710. Phần lớn phù hợp với nhiễu nền đã dự đoán. Tuy nhiên, hai tín hiệu được phát hiện vào ngày 16 tháng 6 đã vượt ra ngoài xu hướng nhiễu nền. Vị trí phát hiện tín hiệu cũng cách xa tường thiết bị dò, nên khả năng đó là sự ô nhiễm từ tia vũ trụ bên ngoài là không cao.
Nhóm nghiên cứu ước tính rằng quy mô năng lượng tác động hạt nhân gây ra tín hiệu này phải đạt tối thiểu 250keV. Đây là một mức năng lượng rất lớn. Với các hạt thông thường, khó có thể làm xáo trộn hạt nhân nguyên tử với mức năng lượng này. Chỉ riêng ngưỡng giá trị này cũng có thể coi là loại trừ tự động vô số các yếu tố khác có thể làm xáo trộn hạt nhân. Nhóm nghiên cứu suy đoán thực thể của tín hiệu đó là higgsino, đối tác siêu đối xứng của boson Higgs. Nghe nói họ vui mừng đến mức sau khi xác nhận tín hiệu đã bắt đầu viết bài báo và hoàn thành bản thảo chỉ trong vòng một ngày.
Nếu thực sự là hạt vật chất tối thì có thể xem một hạt cực kỳ mạnh đã tình cờ quét qua thiết bị dò. Mặc dù giá trị thay đổi tùy theo mô hình, nhưng ý nghĩa của tín hiệu này đáng tiếc chỉ đạt khoảng 2,6 sigma, không vượt quá 3 sigma. Nếu tiếp tục thăm dò theo cách tương tự, điều đó có nghĩa là xác suất một tín hiệu bất thường ở mức độ này lại xuất hiện là 0,5%. Điều này không có nghĩa là xác suất đó là vật chất tối là 99,5%.
Mặc dù không phải là một kết quả hoàn toàn thỏa mãn, nhưng nếu nghĩ đến việc vật chất tối là một "kẻ" khó nắm bắt như thế nào, thì chỉ riêng điều này thôi cũng có thể coi là một sự kiện khá thú vị. Trong tương lai, nếu chúng ta tiếp tục chờ đợi những tín hiệu tương tự trong thời gian dài hơn và tích lũy đủ dữ liệu thống kê về các tín hiệu nghi vấn vật chất tối, thì lúc đó chúng ta mới có thể tiến gần hơn đến một kết luận rõ ràng hơn.
Tất nhiên, vẫn còn quá sớm để làm ầm ĩ. Trong quá khứ, đã có nhiều trường hợp người ta tưởng rằng đã phát hiện ra tín hiệu nghi là vật chất tối, nhưng rồi lại kết thúc như một hiện tượng đáng tiếc khi các cuộc kiểm chứng độc lập thất bại. Tiêu biểu là thí nghiệm DAMA tại Gran Sasso, Ý, đã tuyên bố bắt được hình thái tín hiệu vật chất tối thay đổi theo mùa, nhưng các thí nghiệm dò tìm độc lập tại Hàn Quốc lại không xác nhận được tín hiệu tương tự. Ngay cả bây giờ, không chỉ ở Ý, Hàn Quốc mà các thiết bị dò tìm ở khắp nơi trên thế giới vẫn đang chờ đợi vật chất tối trong vô vọng.
Nhìn vào cuộc trốn tìm dai dẳng với vật chất tối không rõ danh tính, nhiều người nói rằng cuối cùng vật chất tối cũng sẽ đi theo lịch sử của "ether". Mặc dù có khả năng đó, nhưng cũng có những khía cạnh khó mà đơn giản đặt nó lên cùng một mặt phẳng với tình trạng của ether. Thông qua các thí nghiệm không thể phủ nhận rằng tốc độ ánh sáng luôn được đo không đổi bất kể hướng và thời gian, bóng ma của ether đã lấp đầy vũ trụ của nhân loại trong hàng nghìn năm đã biến mất hoàn toàn.
Trường hợp của vật chất tối tế nhị hơn nhiều. Thậm chí có thể coi là khó chịu hơn. Có rất nhiều thí nghiệm muốn chứng minh vật chất tối và chưa có bằng chứng xác thực. Thế nhưng cũng không có ý tưởng thực nghiệm nào chứng minh rõ ràng là không có vật chất tối. Ngay cả việc chứng minh rõ ràng rằng không có vật chất tối cũng là một tình huống cực kỳ khó khăn.
Có lẽ ai đó sẽ phàn nàn rằng ngay từ đầu, vì định nghĩa vật chất tối đã được đặt một cách khéo léo là hạt không tương tác, nên nếu không thấy tín hiệu phát hiện thì họ lại lấy lý do vật chất tối vốn dĩ là như vậy. Không thể phủ nhận có khía cạnh đó. Thế nhưng, cũng không thể phớt lờ tất cả các hiện tượng nhất quán đã quan sát được trong vũ trụ từ lâu, vấn đề vũ trụ trông nặng hơn và có trọng lực mạnh hơn vẻ ngoài của nó. Một trong những nguyên tắc thật thánh thiêng nhưng cũng thật khó chịu của khoa học chính là "sự thiếu vắng bằng chứng không phải là bằng chứng của sự thiếu vắng".
Cuối cùng, kết thúc của cuộc tranh luận xung quanh vật chất tối chỉ có một trong hai hướng. Hoặc là nắm bắt rõ ràng tín hiệu của vật chất tối và tìm ra thân phận của nó, hoặc là nhìn vào những thiết bị dò im lìm và chờ đợi dấu vết của vật chất tối một cách vô vọng. Hy vọng rằng hai tín hiệu ngắn ngủi được bắt được vào năm 2023 chỉ là phát súng đầu tiên báo hiệu sự kết thúc của cuộc chiến dài hơi này.
Tác giả Ji Woong-bae? Yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem ‘Galaxy Express 999’ (Tàu tốc hành ngân hà 999), anh đã ấp ủ giấc mơ làm cho vẻ đẹp của vũ trụ được biết đến nhiều hơn. Hiện đang là giáo sư trợ giảng tại Khoa Nghiên cứu Tự do, Đại học Sejong, anh tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học khác nhau như diễn thuyết và viết sách. Anh đã viết các cuốn sách như ‘Về sự vô dụng của nhà thiên văn học’, ‘Chúng ta đều được sinh ra là nhà thiên văn học’, ‘Những câu hỏi kỳ lạ xuất hiện khi nhìn vào vũ trụ’, và dịch các cuốn sách như ‘Tại sao tôi lại giết sao Diêm Vương’, ‘Quantum Life’, ‘UFO’, v.v.