Các nhà khoa học đang ở rất gần việc mở khóa những bí ẩn của vật chất tối - có thể là nguồn năng lượng mạnh mẽ nhất trong vũ trụ. Việc xác nhận sự tồn tại của loại vật chất khó nắm bắt này có thể sẽ viết lại các quy luật của vũ trụ như chúng ta đã biết.
Tại một cây cầu bắc qua sông Yalong thuộc dãy núi Jinping, tỉnh Tứ Xuyên, Trung Quốc, hàng chục nhà vật lý tài năng từ khắp nơi trên thế giới mỗi ngày lái xe khoảng 16 km xuống một đường hầm sâu. Đến cuối hành trình, cách mặt đất khoảng 2.400 mét, họ nhìn thấy ánh sáng mờ ảo chiếu sáng một tòa nhà lớn màu trắng với những bức tường gạch ngói và biểu tượng xanh ở trên đỉnh. Họ đã đến Phòng thí nghiệm ngầm Trung Quốc Jinping (CJUL).
Tại đây, khái niệm ngày và đêm gần như trở nên vô nghĩa, và dấu hiệu duy nhất của sự sống là các nhà khoa học, những người đang lao vào cuộc săn tìm vật chất tối - loại vật chất vô hình, bí ẩn mà theo giả thuyết chiếm khoảng 85% vũ trụ của chúng ta; các nhà khoa học chỉ biết nó tồn tại nhờ vào lực hấp dẫn của nó. Kể từ khi được khánh thành vào năm 2010, CJUL đã thiết lập kỷ lục là địa điểm lớn nhất trên mặt đất cho việc phát hiện vật chất tối, mặc dù nó chỉ chính thức hoạt động vào tháng 12 năm 2023.
Việc tìm kiếm thứ mà có thể không tồn tại khiến cho khái niệm vật chất tối thử thách sự kiên nhẫn và sáng tạo của các nhà vật lý hạt và vũ trụ học trên toàn thế giới. Vật chất tối được xem là "nghịch lý rõ ràng nhất" trong vũ trụ của chúng ta, như nhà nghiên cứu vật chất tối Yeongduk Kim, Tiến sĩ, đã chia sẻ. Nhưng bất chấp nhiều báo cáo về việc phát hiện vật chất tối xuất hiện trên toàn thế giới trong vài thập kỷ qua, phần lớn đều là tín hiệu giả.
Kim, người đã tìm kiếm vật chất tối hơn 30 năm, nhận thức được rằng rất có thể anh và các nhà nghiên cứu khác sẽ không có gì để trình bày cho những năm tháng làm việc. Tuy nhiên, các nhà khoa học dường như không hề nao núng. Thực tế, sự không chắc chắn ấy lại trở thành động lực thúc đẩy cuộc đua khám phá danh tính của vật chất tối. Mọi người tham gia đều đồng thuận rằng: bất kỳ điều gì vật chất tối trở thành, việc xác nhận sự tồn tại của nó sẽ viết lại các quy luật của vũ trụ mà chúng ta biết. Ví dụ, sự phong phú của vật chất tối trong vũ trụ của chúng ta có thể lý thuyết được sử dụng như một nguồn năng lượng miễn phí và không giới hạn.
Nhưng làm thế nào để thực hiện điều đó với những hạt vẫn còn là một bí ẩn? "Chúng tôi có một lý thuyết rất tốt và hoàn chỉnh, đó là Mô hình chuẩn [của vật lý hạt] giải thích hầu hết mọi câu hỏi - mọi khía cạnh của tự nhiên và vật chất, nguyên tử, hạt cơ bản," Kim giải thích. "Tất cả hiện tượng ngoại trừ vật chất tối."
"Điều duy nhất chúng tôi có thể chắc chắn là các hạt này không tương tác nhiều, vì nếu chúng có tương tác, chúng tôi đã phát hiện ra chúng rồi," Daniel Hooper, Tiến sĩ, một nhà vũ trụ học tại Fermilab ở Batavia, Illinois và Đại học Chicago cho biết. "Nếu chúng có bất kỳ điện tích nào, ví dụ, chúng tôi đã phát hiện ra ánh sáng từ chúng, hoặc là ánh sáng mà chúng tạo ra hoặc có thể là ánh sáng mà chúng hấp thụ."
Để tìm ra sự thật về vật chất tối khó nắm bắt này, các nghiên cứu tiên tiến đang diễn ra gần 2,4 km bên dưới bề mặt trái đất.
Là detector sâu nhất thế giới, CJPL tận dụng hàng nghìn mét đá giữa các thiết bị nhạy cảm và bề mặt. Chỉ có một trong một triệu tia vũ trụ từ mặt trời đang liên tục bắn vào hành tinh của chúng ta có thể xuyên qua không gian rộng lớn này, tạo điều kiện cho việc nghiên cứu vật chất tối.
Được cung cấp năng lượng từ các máy phát thủy điện, tìm kiếm vật chất tối của CJPL bao gồm hai dự án nghiên cứu: Thí nghiệm Xenon Vật lý và Thiên văn học (PandaX) và Thí nghiệm Vật chất Tối Trung Quốc (CDEX), hai bể lớn chứa xenon và germanium, lần lượt, nằm trong tình trạng hoàn toàn cách biệt với thế giới bên ngoài. Cả hai dự án PandaX và CDEX đều áp dụng phương pháp phát hiện "trực tiếp" vật chất tối. Cụ thể, họ đang tìm kiếm những hạt khối lượng lớn yếu tương tác (WIMPs), một loại hạt subatomic giả thuyết, nặng và di chuyển chậm, chỉ tương tác rất ít với vật chất thông thường.
Các nhà khoa học đã tìm đến khí xenon và germanium như những ứng cử viên tốt nhất cho sự tương tác với các hạt vật chất tối. Không có những nguyên tố này dễ dàng phản ứng với vật chất khác, do đó, bất kỳ tương tác nào diễn ra giữa chúng và WIMPs có khả năng cao do sự hiện diện của WIMPs. Điều làm CJPL trở nên độc đáo là việc sử dụng cả hai loại nguyên tố xenon và germanium; các cơ sở cạnh tranh, chẳng hạn như LUX-ZEPLIN tại South Dakota hoặc XENONnT ở Ý, chỉ hoạt động với các detector xenon.
"PandaX có cơ hội thật sự trong tương lai không chỉ trở thành một nhà lãnh đạo thế giới, mà còn là nhà lãnh đạo duy nhất," Jonathan Ellis, Tiến sĩ, nhà vật lý lý thuyết và chủ tịch ủy ban tư vấn CJPL cho biết. CDEX thì phức tạp hơn một chút, theo ông. Đó là vì germanium khó xử lý hơn.
So với xenon, germanium không chỉ đắt hơn, mà còn khó mở rộng về khối lượng và độ nhạy, Ellis giải thích. Tuy nhiên, các detector germanium có khả năng nhận diện những gì mà các detector xenon truyền thống không thể. "Xenon là rất phù hợp cho việc tìm kiếm các hạt vật chất tối nặng gấp hàng chục lần khối lượng proton," ông nói, "trong khi nguyên liệu germanium mà CDEX sử dụng lại phù hợp hơn cho phần nhẹ của WIMPs."
Quy mô mà các nhà khoa học này làm việc rất nhỏ bé: khoảng một triệu tỷ một nanogram. Đó là một tỷ lần nhỏ hơn một gram, trọng lượng trung bình của một cái kẹp giấy.
Xenon lỏng là lý tưởng cho việc săn lùng WIMPs vì nó là một nguyên tố tương đối ổn định, không cho phép thêm tiếng ồn xâm nhập, trong khi lại đủ nặng hoặc dày để WIMPs "để lại dấu ấn". Các detector xenon có khả năng phát hiện những ứng cử viên vật chất tối tiềm năng nhỏ hơn gần mười hai lần so với hạt nhân xenon trung bình. Theo nghĩa đó, PandaX và CDEX bổ sung cho nhau về khả năng phát hiện của phòng thí nghiệm, Ellis cho biết.
Lý do mà các cơ sở phát hiện trực tiếp nằm sâu dưới mặt đất là để chặn các "tiếng ồn" bên ngoài từ bề mặt. Dù được gọi là "phát hiện trực tiếp", bản thân các detector không báo động khi phát hiện vật chất tối. Ngược lại, vật chất tối đi qua detector liên tục, nhưng rất hiếm khi tương tác với xenon hay germanium bên trong bể.
"Hãy tưởng tượng bạn có một mục tiêu," Juan Collar, Tiến sĩ, một nhà vật lý hạt tại Đại học Chicago nói. "Nếu nó rất nhỏ và bạn ném một vật thể - một viên đạn về phía mục tiêu đó - bạn có rất ít khả năng để trúng. Nếu [nó] lớn hơn, thì viên đạn, vật thể mà bạn ném có thể có nhiều khả năng trúng vào mục tiêu," ông chia sẻ.
Các nhà vật lý quan sát detector thực chất đang tìm kiếm những tín hiệu mà bể lỏng ghi lại cho những dấu hiệu nhỏ nhất của một sự rối loạn gần như vô hình, kết quả của một sự tương tác ngẫu nhiên giữa detector và vật chất tối. Bằng cách che chắn detector khỏi các tia vũ trụ có thể nhận diện được, mục tiêu là để tập trung vào những rối loạn kỳ lạ chưa biết.
Với độ nhạy cực kỳ yêu cầu trong quy trình này, không có gì lạ khi việc tìm kiếm vật chất tối tự nó đã đẩy ranh giới của vật lý thiên văn, Don Lincoln, Tiến sĩ, một nhà khoa học cao cấp tại Fermilab, cho biết. Tuy nhiên, dù việc nghiên cứu vật chất tối có vẻ phi lý, nhiều "bí ẩn vũ trụ" của chúng ta bắt đầu trở nên hợp lý khi có vật chất tối trong bối cảnh.
Ví dụ, giả sử lý thuyết về lực hấp dẫn của chúng ta là chính xác, các thiên hà trong vũ trụ mà chúng ta có thể quan sát phải quay với một tốc độ nhất định. Thực tế, các thiên hà không chỉ quay nhanh hơn rất nhiều so với những gì toán học dự đoán, mà còn quay nhanh đến mức chúng đáng lẽ phải bay ra xa nhau. Tuy nhiên, các lý thuyết vật lý hiện tại không thể giải thích điều gì có thể giữ chúng lại với nhau.
"Và giải pháp có thể là vật chất tối," Lincoln nói, "nhưng một giải thích thay thế có thể là chúng ta không hiểu được các quy luật chuyển động cũng như không hiểu được quy luật về lực hấp dẫn."
Các nhà vật lý đã thử nghiệm các giả thuyết thay thế, nhưng đến giờ chưa có gì kết nối các vì sao - nghĩa đen - tốt hơn lý thuyết rằng có "nhiều vật chất hơn chúng ta có thể thấy" trong vũ trụ, Lincoln nói.
Cuộc tìm kiếm để làm sáng tỏ các bí ẩn vũ trụ của chúng ta chủ yếu là như vậy: đóng lại những cánh cửa cũ và mở ra những cánh cửa mới. Một ý tưởng được chứng minh là sai chỉ đơn giản loại bỏ một sự phân tâm thêm, cũng như việc đào sâu dưới lòng đất để lắp đặt công nghệ phát hiện loại bỏ một yếu tố tiếng ồn thêm.
"Nên có rất nhiều người đã trở nên, tôi không biết - có thể là chán nản, bởi vì thực tế chúng ta chưa phát hiện ra vật chất tối," Hooper nói, giải thích rằng sự mệt mỏi hoặc lo âu này liên quan đến một chủ đề lịch sử thú vị của vật lý cơ bản.
"Phép ẩn dụ tôi thích sử dụng là, vài trăm năm trước, mọi người biết gì về không khí? Nó rõ ràng là có thực, nhưng chúng ta không biết nó được cấu tạo từ các phân tử nitơ và oxy hai nguyên tử cùng với một số khác," ông chỉ ra. "Như vậy, những thứ đó đã là một bí ẩn."
Khi electron được phát hiện, Hooper giải thích, nhiều người cho rằng nó không có "dấu hiệu nào về ứng dụng thực tiễn". Tuy nhiên, nếu chúng ta không bao giờ phát hiện hoặc nghiên cứu electron, chúng ta sẽ không có máy tính, siêu dẫn, và hầu hết các thiết bị điện gia dụng.
Nhà vật lý thiên văn Ethan Siegel, Tiến sĩ, người dẫn chương trình podcast "Starts With a Bang!", có thể hình dung một tương lai sử dụng các hạt vật chất tối như một loại nhiên liệu cho tên lửa. Tất cả vật chất đều có một đối hạt tương ứng của nó, Siegel giải thích, và việc va chạm vật chất với đối hạt tạo ra năng lượng "tinh khiết" hiệu quả. Nếu vật chất tối thực sự có ít hoặc không có điện tích, điều này có nghĩa rằng mỗi hạt vật chất tối sẽ hành xử như chính nó là đối hạt. Nếu điều này là đúng, việc va chạm hai hạt vật chất tối với nhau sẽ dẫn đến một vụ nổ giữa vật chất và đối hạt - một nguồn năng lượng hoàn hảo cho tên lửa.
Đó không phải là tất cả những điều chúng ta có thể thấy. "Tôi không ngạc nhiên nếu chúng ta có một cỗ máy thời gian và tiến về phía trước 1.000 năm, và vật chất tối đã được phát hiện và đang được sử dụng rộng rãi trong máy cắt cỏ và máy hút bụi," Charlie Conroy, Tiến sĩ, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Harvard, cho biết. Trong bất kỳ trường hợp nào, ông nói, đừng bao giờ đánh giá thấp sự sáng tạo của con người như một loài - đặc biệt là khi những cược cao như những bí ẩn vũ trụ định đoạt các quy luật của toàn bộ vũ trụ của chúng ta.
Chắc chắn là còn nhiều điều cần làm việc lý thuyết, Hooper nói. Trước khi chúng ta biết vật chất tối có thể là nhiên liệu cho tên lửa, ví dụ, chúng ta sẽ cần phải tìm ra cách vật chất tối - được coi là các hạt tương tác rất yếu - sẽ di chuyển cùng với tên lửa.
"Và tôi chỉ có thể nói rằng điều đó nghe có vẻ rất rất khó," ông nói. "Nếu tôi đang sử dụng nhiên liệu hóa học thông thường cho một chiếc tên lửa, lý do tôi có thể làm điều đó là vì tôi có thể áp dụng lực vào nhiên liệu đó như trong một bể hay điều gì đó. Nhưng vì tất cả lý do mà vật chất tối là, tốt, nó thì 'tối', việc áp dụng lực vào vật chất tối là không dễ."
Máy cắt cỏ chạy bằng vật chất tối có vẻ không khả thi với Kim, vì vật chất tối không tồn tại ở mức độ phong phú như electron. Nhưng ông cũng đồng tình rằng bất kể điều gì chúng ta cuối cùng tìm thấy, chúng ta sẽ đến gần hơn với việc bố trí một bức tranh rõ ràng hơn về cách vũ trụ của chúng ta tiến hóa - và ai biết chúng ta sẽ có thể làm gì với loại kiến thức đó?
"Vì vậy, tôi nghĩ rằng chúng ta đang ở trong hiểu biết về vật chất tối, trong một vị trí tương tự như nơi chúng ta đã ở vào năm 1700, khi chúng ta đang đặt câu hỏi về không khí là gì," Hooper nói. "Đó không phải là vấn đề xác định xem không khí có tồn tại hay không, và ngày nay không phải là vấn đề xem liệu vật chất tối có tồn tại hay không. Đó là một vấn đề hiểu rõ nó được cấu thành từ cái gì - không phải là tồn tại - mà là cấu thành."
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a60801685/chinese-dark-matter-detector/
Tại một cây cầu bắc qua sông Yalong thuộc dãy núi Jinping, tỉnh Tứ Xuyên, Trung Quốc, hàng chục nhà vật lý tài năng từ khắp nơi trên thế giới mỗi ngày lái xe khoảng 16 km xuống một đường hầm sâu. Đến cuối hành trình, cách mặt đất khoảng 2.400 mét, họ nhìn thấy ánh sáng mờ ảo chiếu sáng một tòa nhà lớn màu trắng với những bức tường gạch ngói và biểu tượng xanh ở trên đỉnh. Họ đã đến Phòng thí nghiệm ngầm Trung Quốc Jinping (CJUL).
Tại đây, khái niệm ngày và đêm gần như trở nên vô nghĩa, và dấu hiệu duy nhất của sự sống là các nhà khoa học, những người đang lao vào cuộc săn tìm vật chất tối - loại vật chất vô hình, bí ẩn mà theo giả thuyết chiếm khoảng 85% vũ trụ của chúng ta; các nhà khoa học chỉ biết nó tồn tại nhờ vào lực hấp dẫn của nó. Kể từ khi được khánh thành vào năm 2010, CJUL đã thiết lập kỷ lục là địa điểm lớn nhất trên mặt đất cho việc phát hiện vật chất tối, mặc dù nó chỉ chính thức hoạt động vào tháng 12 năm 2023.
Việc tìm kiếm thứ mà có thể không tồn tại khiến cho khái niệm vật chất tối thử thách sự kiên nhẫn và sáng tạo của các nhà vật lý hạt và vũ trụ học trên toàn thế giới. Vật chất tối được xem là "nghịch lý rõ ràng nhất" trong vũ trụ của chúng ta, như nhà nghiên cứu vật chất tối Yeongduk Kim, Tiến sĩ, đã chia sẻ. Nhưng bất chấp nhiều báo cáo về việc phát hiện vật chất tối xuất hiện trên toàn thế giới trong vài thập kỷ qua, phần lớn đều là tín hiệu giả.
Kim, người đã tìm kiếm vật chất tối hơn 30 năm, nhận thức được rằng rất có thể anh và các nhà nghiên cứu khác sẽ không có gì để trình bày cho những năm tháng làm việc. Tuy nhiên, các nhà khoa học dường như không hề nao núng. Thực tế, sự không chắc chắn ấy lại trở thành động lực thúc đẩy cuộc đua khám phá danh tính của vật chất tối. Mọi người tham gia đều đồng thuận rằng: bất kỳ điều gì vật chất tối trở thành, việc xác nhận sự tồn tại của nó sẽ viết lại các quy luật của vũ trụ mà chúng ta biết. Ví dụ, sự phong phú của vật chất tối trong vũ trụ của chúng ta có thể lý thuyết được sử dụng như một nguồn năng lượng miễn phí và không giới hạn.
Nhưng làm thế nào để thực hiện điều đó với những hạt vẫn còn là một bí ẩn? "Chúng tôi có một lý thuyết rất tốt và hoàn chỉnh, đó là Mô hình chuẩn [của vật lý hạt] giải thích hầu hết mọi câu hỏi - mọi khía cạnh của tự nhiên và vật chất, nguyên tử, hạt cơ bản," Kim giải thích. "Tất cả hiện tượng ngoại trừ vật chất tối."
"Điều duy nhất chúng tôi có thể chắc chắn là các hạt này không tương tác nhiều, vì nếu chúng có tương tác, chúng tôi đã phát hiện ra chúng rồi," Daniel Hooper, Tiến sĩ, một nhà vũ trụ học tại Fermilab ở Batavia, Illinois và Đại học Chicago cho biết. "Nếu chúng có bất kỳ điện tích nào, ví dụ, chúng tôi đã phát hiện ra ánh sáng từ chúng, hoặc là ánh sáng mà chúng tạo ra hoặc có thể là ánh sáng mà chúng hấp thụ."
Để tìm ra sự thật về vật chất tối khó nắm bắt này, các nghiên cứu tiên tiến đang diễn ra gần 2,4 km bên dưới bề mặt trái đất.
Là detector sâu nhất thế giới, CJPL tận dụng hàng nghìn mét đá giữa các thiết bị nhạy cảm và bề mặt. Chỉ có một trong một triệu tia vũ trụ từ mặt trời đang liên tục bắn vào hành tinh của chúng ta có thể xuyên qua không gian rộng lớn này, tạo điều kiện cho việc nghiên cứu vật chất tối.
Được cung cấp năng lượng từ các máy phát thủy điện, tìm kiếm vật chất tối của CJPL bao gồm hai dự án nghiên cứu: Thí nghiệm Xenon Vật lý và Thiên văn học (PandaX) và Thí nghiệm Vật chất Tối Trung Quốc (CDEX), hai bể lớn chứa xenon và germanium, lần lượt, nằm trong tình trạng hoàn toàn cách biệt với thế giới bên ngoài. Cả hai dự án PandaX và CDEX đều áp dụng phương pháp phát hiện "trực tiếp" vật chất tối. Cụ thể, họ đang tìm kiếm những hạt khối lượng lớn yếu tương tác (WIMPs), một loại hạt subatomic giả thuyết, nặng và di chuyển chậm, chỉ tương tác rất ít với vật chất thông thường.
Các nhà khoa học đã tìm đến khí xenon và germanium như những ứng cử viên tốt nhất cho sự tương tác với các hạt vật chất tối. Không có những nguyên tố này dễ dàng phản ứng với vật chất khác, do đó, bất kỳ tương tác nào diễn ra giữa chúng và WIMPs có khả năng cao do sự hiện diện của WIMPs. Điều làm CJPL trở nên độc đáo là việc sử dụng cả hai loại nguyên tố xenon và germanium; các cơ sở cạnh tranh, chẳng hạn như LUX-ZEPLIN tại South Dakota hoặc XENONnT ở Ý, chỉ hoạt động với các detector xenon.
"PandaX có cơ hội thật sự trong tương lai không chỉ trở thành một nhà lãnh đạo thế giới, mà còn là nhà lãnh đạo duy nhất," Jonathan Ellis, Tiến sĩ, nhà vật lý lý thuyết và chủ tịch ủy ban tư vấn CJPL cho biết. CDEX thì phức tạp hơn một chút, theo ông. Đó là vì germanium khó xử lý hơn.
So với xenon, germanium không chỉ đắt hơn, mà còn khó mở rộng về khối lượng và độ nhạy, Ellis giải thích. Tuy nhiên, các detector germanium có khả năng nhận diện những gì mà các detector xenon truyền thống không thể. "Xenon là rất phù hợp cho việc tìm kiếm các hạt vật chất tối nặng gấp hàng chục lần khối lượng proton," ông nói, "trong khi nguyên liệu germanium mà CDEX sử dụng lại phù hợp hơn cho phần nhẹ của WIMPs."
Quy mô mà các nhà khoa học này làm việc rất nhỏ bé: khoảng một triệu tỷ một nanogram. Đó là một tỷ lần nhỏ hơn một gram, trọng lượng trung bình của một cái kẹp giấy.
Xenon lỏng là lý tưởng cho việc săn lùng WIMPs vì nó là một nguyên tố tương đối ổn định, không cho phép thêm tiếng ồn xâm nhập, trong khi lại đủ nặng hoặc dày để WIMPs "để lại dấu ấn". Các detector xenon có khả năng phát hiện những ứng cử viên vật chất tối tiềm năng nhỏ hơn gần mười hai lần so với hạt nhân xenon trung bình. Theo nghĩa đó, PandaX và CDEX bổ sung cho nhau về khả năng phát hiện của phòng thí nghiệm, Ellis cho biết.
Lý do mà các cơ sở phát hiện trực tiếp nằm sâu dưới mặt đất là để chặn các "tiếng ồn" bên ngoài từ bề mặt. Dù được gọi là "phát hiện trực tiếp", bản thân các detector không báo động khi phát hiện vật chất tối. Ngược lại, vật chất tối đi qua detector liên tục, nhưng rất hiếm khi tương tác với xenon hay germanium bên trong bể.
"Hãy tưởng tượng bạn có một mục tiêu," Juan Collar, Tiến sĩ, một nhà vật lý hạt tại Đại học Chicago nói. "Nếu nó rất nhỏ và bạn ném một vật thể - một viên đạn về phía mục tiêu đó - bạn có rất ít khả năng để trúng. Nếu [nó] lớn hơn, thì viên đạn, vật thể mà bạn ném có thể có nhiều khả năng trúng vào mục tiêu," ông chia sẻ.
Các nhà vật lý quan sát detector thực chất đang tìm kiếm những tín hiệu mà bể lỏng ghi lại cho những dấu hiệu nhỏ nhất của một sự rối loạn gần như vô hình, kết quả của một sự tương tác ngẫu nhiên giữa detector và vật chất tối. Bằng cách che chắn detector khỏi các tia vũ trụ có thể nhận diện được, mục tiêu là để tập trung vào những rối loạn kỳ lạ chưa biết.
Với độ nhạy cực kỳ yêu cầu trong quy trình này, không có gì lạ khi việc tìm kiếm vật chất tối tự nó đã đẩy ranh giới của vật lý thiên văn, Don Lincoln, Tiến sĩ, một nhà khoa học cao cấp tại Fermilab, cho biết. Tuy nhiên, dù việc nghiên cứu vật chất tối có vẻ phi lý, nhiều "bí ẩn vũ trụ" của chúng ta bắt đầu trở nên hợp lý khi có vật chất tối trong bối cảnh.
Ví dụ, giả sử lý thuyết về lực hấp dẫn của chúng ta là chính xác, các thiên hà trong vũ trụ mà chúng ta có thể quan sát phải quay với một tốc độ nhất định. Thực tế, các thiên hà không chỉ quay nhanh hơn rất nhiều so với những gì toán học dự đoán, mà còn quay nhanh đến mức chúng đáng lẽ phải bay ra xa nhau. Tuy nhiên, các lý thuyết vật lý hiện tại không thể giải thích điều gì có thể giữ chúng lại với nhau.
"Và giải pháp có thể là vật chất tối," Lincoln nói, "nhưng một giải thích thay thế có thể là chúng ta không hiểu được các quy luật chuyển động cũng như không hiểu được quy luật về lực hấp dẫn."
Các nhà vật lý đã thử nghiệm các giả thuyết thay thế, nhưng đến giờ chưa có gì kết nối các vì sao - nghĩa đen - tốt hơn lý thuyết rằng có "nhiều vật chất hơn chúng ta có thể thấy" trong vũ trụ, Lincoln nói.
Cuộc tìm kiếm để làm sáng tỏ các bí ẩn vũ trụ của chúng ta chủ yếu là như vậy: đóng lại những cánh cửa cũ và mở ra những cánh cửa mới. Một ý tưởng được chứng minh là sai chỉ đơn giản loại bỏ một sự phân tâm thêm, cũng như việc đào sâu dưới lòng đất để lắp đặt công nghệ phát hiện loại bỏ một yếu tố tiếng ồn thêm.
"Nên có rất nhiều người đã trở nên, tôi không biết - có thể là chán nản, bởi vì thực tế chúng ta chưa phát hiện ra vật chất tối," Hooper nói, giải thích rằng sự mệt mỏi hoặc lo âu này liên quan đến một chủ đề lịch sử thú vị của vật lý cơ bản.
"Phép ẩn dụ tôi thích sử dụng là, vài trăm năm trước, mọi người biết gì về không khí? Nó rõ ràng là có thực, nhưng chúng ta không biết nó được cấu tạo từ các phân tử nitơ và oxy hai nguyên tử cùng với một số khác," ông chỉ ra. "Như vậy, những thứ đó đã là một bí ẩn."
Khi electron được phát hiện, Hooper giải thích, nhiều người cho rằng nó không có "dấu hiệu nào về ứng dụng thực tiễn". Tuy nhiên, nếu chúng ta không bao giờ phát hiện hoặc nghiên cứu electron, chúng ta sẽ không có máy tính, siêu dẫn, và hầu hết các thiết bị điện gia dụng.
Nhà vật lý thiên văn Ethan Siegel, Tiến sĩ, người dẫn chương trình podcast "Starts With a Bang!", có thể hình dung một tương lai sử dụng các hạt vật chất tối như một loại nhiên liệu cho tên lửa. Tất cả vật chất đều có một đối hạt tương ứng của nó, Siegel giải thích, và việc va chạm vật chất với đối hạt tạo ra năng lượng "tinh khiết" hiệu quả. Nếu vật chất tối thực sự có ít hoặc không có điện tích, điều này có nghĩa rằng mỗi hạt vật chất tối sẽ hành xử như chính nó là đối hạt. Nếu điều này là đúng, việc va chạm hai hạt vật chất tối với nhau sẽ dẫn đến một vụ nổ giữa vật chất và đối hạt - một nguồn năng lượng hoàn hảo cho tên lửa.
Đó không phải là tất cả những điều chúng ta có thể thấy. "Tôi không ngạc nhiên nếu chúng ta có một cỗ máy thời gian và tiến về phía trước 1.000 năm, và vật chất tối đã được phát hiện và đang được sử dụng rộng rãi trong máy cắt cỏ và máy hút bụi," Charlie Conroy, Tiến sĩ, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Harvard, cho biết. Trong bất kỳ trường hợp nào, ông nói, đừng bao giờ đánh giá thấp sự sáng tạo của con người như một loài - đặc biệt là khi những cược cao như những bí ẩn vũ trụ định đoạt các quy luật của toàn bộ vũ trụ của chúng ta.
Chắc chắn là còn nhiều điều cần làm việc lý thuyết, Hooper nói. Trước khi chúng ta biết vật chất tối có thể là nhiên liệu cho tên lửa, ví dụ, chúng ta sẽ cần phải tìm ra cách vật chất tối - được coi là các hạt tương tác rất yếu - sẽ di chuyển cùng với tên lửa.
"Và tôi chỉ có thể nói rằng điều đó nghe có vẻ rất rất khó," ông nói. "Nếu tôi đang sử dụng nhiên liệu hóa học thông thường cho một chiếc tên lửa, lý do tôi có thể làm điều đó là vì tôi có thể áp dụng lực vào nhiên liệu đó như trong một bể hay điều gì đó. Nhưng vì tất cả lý do mà vật chất tối là, tốt, nó thì 'tối', việc áp dụng lực vào vật chất tối là không dễ."
Máy cắt cỏ chạy bằng vật chất tối có vẻ không khả thi với Kim, vì vật chất tối không tồn tại ở mức độ phong phú như electron. Nhưng ông cũng đồng tình rằng bất kể điều gì chúng ta cuối cùng tìm thấy, chúng ta sẽ đến gần hơn với việc bố trí một bức tranh rõ ràng hơn về cách vũ trụ của chúng ta tiến hóa - và ai biết chúng ta sẽ có thể làm gì với loại kiến thức đó?
"Vì vậy, tôi nghĩ rằng chúng ta đang ở trong hiểu biết về vật chất tối, trong một vị trí tương tự như nơi chúng ta đã ở vào năm 1700, khi chúng ta đang đặt câu hỏi về không khí là gì," Hooper nói. "Đó không phải là vấn đề xác định xem không khí có tồn tại hay không, và ngày nay không phải là vấn đề xem liệu vật chất tối có tồn tại hay không. Đó là một vấn đề hiểu rõ nó được cấu thành từ cái gì - không phải là tồn tại - mà là cấu thành."
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a60801685/chinese-dark-matter-detector/
