- Glennda Chui (Symmetry Magazine)
Nếu bạn chỉ sử dụng 5% của bảng chữ cái, bạn sẽ ngọng nghịu với chữ A mãi. 5% của một bữa ăn đầy đủ dinh dưỡng mỗi ngày là một lát bánh mì khô.
Nhưng đó là tất cả những gì chúng ta có, hay ít nhất là tất cả những gì chúng ta có thể cảm nhận, về cái nơi chúng ta gọi là vũ trụ quê nhà.
Chưa tới 5% của vũ trụ là vật chất bình thường có cấu tạo từ quark, electron và neutrino.
Phần còn lại là vật chất tối (23%) và năng lượng tối (72%). Chúng chẳng có cái gì chung cả, dường như vậy, ngoại trừ là chúng ta không có khả năng nhìn thấy chúng trực tiếp bằng những công cụ mà chúng ta có trong tay và sự tác động sâu rộng của chúng lên vũ trụ nhìn thấy.
Giống như những nhà thám hiểm bên bờ của một chân trời mới bất kì nào đó, chúng ta muốn biết nhiều hơn nữa. Chúng ta muốn biết tại sao các thiên hà giữ lại với nhau thay vì bay ra xa nhau, tại sao vũ trụ giãn nở mỗi lúc một nhanh hơn, và làm thế nào một thế giới tăm tối của những hạt không nhìn thấy, không như trông đợi và/hoặc những lực và/hoặc những thứ mà chúng ta chưa bao giờ tưởng tượng ra lại có thể hòa quyện với chính bản thân chúng ta.
Chúng ta muốn biết phần vũ trụ tăm tối này là cái gì.
Minh họa: Sandbox Studio, Chicago
Mục tiêu nóng
Săn lùng vật chất tối và năng lượng tối là một trong thách thức hấp dẫn nhất trong vật lí học, và nó đang được tiến hành gần như ở mọi nơi nếu có thể: ở sâu dưới lòng đất và ở xa trong không gian vũ trụ, trên quy mô vũ trụ mênh mông và trên quy mô nhỏ không tưởng tượng nổi của những hạt dưới nguyên tử, với sóng âm từ vụ nổ lớn và tàn dư rực rỡ của những ngôi sao nổ.
Mặc dù những năm tháng nghiên cứu vẫn chưa làm sáng tỏ được bản chất của vật chất tối và năng lượng tối, nhưng một số nhà khoa học nghi ngờ rằng chúng có tồn tại; những dấu vết đặc trưng riêng của chúng có trên toàn cõi vũ trụ, đang định hình sự phát triển và tiến hóa của những cấu trúc vĩ mô, ví dụ các sợi vật chất cỡ thiên hà và đám thiên hà mà chúng ta thấy ngày nay.
Hiện nay, các nhà khoa học nghĩ rằng họ đang khép lại mẻ lưới đã giăng nhiều năm này.
Lí thuyết, quan trắc và những mô phỏng phức tạp trên máy vi tính đang tập trung vào những hạt ứng cử viên và những kĩ thuật triển vọng trông có khả năng cho chúng ta biết vật chất tối được cấu tạo từ cái gì.
“Bạn sẽ có thể nhìn thấy những hạt vật chất tối thật sự nằm ngoài tầm với những thế hệ thí nghiệm hiện nay,” phát biểu của Glen Crawford, giám đốc Phân viện Nghiên cứu và Công nghệ thuộc Phòng Vật lí Năng lượng Cao trực thuộc Bộ Năng lượng Mĩ, có quan tài trợ chinh của các dự án vũ trụ tối. “Người ta đang đi tới những phương pháp mới khéo léo tiến hành những thí nghiệm vật chất tối này.”
Còn với năng lượng tối, các nhà vật lí hầu như chẳng biết chút gì về nó hết. Nhưng trong 10 đến 15 năm tới, các dự án nay đã lên kế hoạch hoặc đang triển khai sẽ làm rõ sự sinh sôi và tiến hóa của vũ trụ chính xác hơn và lùi xa hơn trong thời gian, gạn lọc những phép đo chủ chốt mang lại những manh mối có sức mạnh cho biết năng lượng tối là cái gì.
Vật chất tối
Dấu hiệu đầu tiên rằng vũ trụ tối tồn tại xuất hiện vào thập niên 1930 cùng với việc nhận ra rằng phải có nhiều khối lượng hơn rất nhiều trong những đám thiên hà mà chúng ta có thể nhìn thấy; nếu không thì chúng sẽ bay ra xa nhau. Khối lượng không nhìn thấy này là vật chất tối.
Mặc dù vật chất tối không phát ra ánh sáng, nhưng nó thật sự tương tác với phần còn lại của vũ trụ qua lực hấp dẫn, và lực này cho chúng ta một cách tìm kiếm nó. Sự co kéo hấp dẫn của vật chất tối không nhìn thấy làm bẻ cong ánh sáng đến từ những vật thể ở xa. Bằng cách phân tích những biến dạng này, các nhà khoa học đã tìm thấy những quầng vật chất tối bao xung quanh nhiều thiên hà, kể cả thiên hà của chúng ta. Họ còn tìm thấy một đám vật chất tối khổng lồ tách ra khỏi vật chất bình thường khi các thiên hà trong Đám thiên hà Bullet va chạm nhau.
Không phải nhà khoa học nào cũng bị thuyết phục rằng vật chất tối có thể giải thích cho hiện tượng này. Ví dụ, có một lí thuyết kình địch cho rằng những quan sát này có thể giải thích được bằng lí thuyết hấp dẫn cải tiến.
Nhưng hiện nay, cái được nhất trí là vật chất tối là có thật. Và sau khi xét những dạng thức khác nhau có thể có của nó, đa phần sự chú ý tập trung vào hai ứng cử viên: WIMP và axion.
Minh họa: Sandbox Studio, Chicago
WIMP
WIMP, hay Hạt Nặng Tương tác Yếu, được cho là có dồi dào những khó tìm kiếm – theo một ước tính thì một tỉ hạt này truyền qua cơ thể bạn trong mỗi giây. Xác suất một hạt WIMP tương tác với hạt nhân của một nguyên tử là hết sức nhỏ. (Xác suất đó cao nhất là một lần trên năm sẽ có một WIMP tương tác với một hạt nhân nguyên tử trong cơ thể bạn.)
Nhưng sự tương tác rất yếu với vật chất bình thường như thế này mang lại cho các nhà khoa học một phương pháp thứ hai, ngoài lực hấp dẫn, để phát hiện vật chất tối. Họ đã xây dựng các máy dò làm bằng chất liệu rất đặc, cực kì tinh khiết, chôn dưới lòng đất để né tránh những hạt khác, và chờ một hạt WIMP bay qua. Nếu và khi một hạt WIMP va chạm với hạt nhân của một nguyên tử trong máy dò, thì nó sẽ thúc hạt nhân đó một chút, tạo ra một lóe nhiệt hoặc lóe sáng có thể ghi lại và phân tích. (Còn hạt WIMP thì ung dung đi tiếp hành trình của nó.)
Những thí nghiệm “dò tìm trực tiếp” như thế này có lẽ đã từng nhìn thấy hạt WIMP.
Theo lí thuyết, chuyển động của hệ mặt trời của chúng ta trong quầng vật chất tối của thiên hà của chúng ta sẽ tạo ra, từ góc nhìn của chúng ta, “một cơn gió WIMP”, theo lời Lauren Hsu, một nhà thiên văn vật lí hạt cơ bản tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi. Chuyển động quay quanh Mặt trời hàng năm của Trái đất sẽ làm cho cơn gió đó thăng giáng, cho nên có nhiều hạt WIMP đi tới máy dò trong tháng 6 hơn trong tháng 12. Đó là hình ảnh mà DAMA/LIBRA, một thí nghiệm ở sâu bên dưới Dãy núi Apennine ở Italy, đã bắt đầu nhìn thấy vào giữa thập niên 1990.
Tuy nhiên, trong khi hai thí nghiệm khác đã báo cáo nhìn thấy cái gì đó tương tự như vậy, nhưng chưa chắc là giống nhau, và những thí nghiệm khác thì không phát hiện cái gì. Cho nên, phiên tòa vẫn còn chờ đó, và các nhà nghiên cứu tiếp tục tìm kiếm các cách hiểu các kết quả DAMA/LIBRA.
Ngày nay, khoảng một tá thí nghiệm dò tìm trực tiếp đang ẩn mình ở sâu trong những hang động ở Bắc Mĩ, châu Âu và châu Á. Chúng bao gồm thí nghiệm Tìm kiếm Vật chất tối Lạnh ở Phòng thí nghiệm Dưới lòng đất Soudan ở Minnesota; XENON100, bên dưới 5000 ft đá trong Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso thuộc Italy; thí nghiệm Xenon Lớn Dưới lòng đất, bên dưới Black Hills ở Nam Dakota; và XMASS, đang thu thập dữ liệu trong Mỏ khoáng Mozumi thuộc Nhật Bản.
Khi các nhà khoa học tiếp tục tăng kích cỡ, độ tinh khiết và độ nhạy của các máy dò, thì xác suất phát hiện rõ ràng hạt WIMP trở nên có triển vọng hơn.
“Tôi nghĩ lúc này là một thời điểm đặc biệt,” phát biểu của Laura Baudis, một nhà thiên văn vật lí thực nghiệm tại trường Đại học Zurich, “bởi vì chúng ta cần hơn 10 năm, thậm chí 15 năm, để phát triển công nghệ cần thiết để kiểm tra sự tương tác rất yếu này của vật chất tối với vật chất bình thường. Hiện nay chúng ta đã đạt tới, với ít nhất là một số công nghệ, mức độ chúng ta có thể triển khai xây dựng những máy dò hạt cỡ lớn.”
Trong khi đó, các nhà khoa học vẫn đang quét qua bầu trời để tìm kiếm những dấu hiệu gián tiếp của hoạt động WIMP.
Theo lí thuyết đang thịnh hành, toàn bộ WIMP từng tồn tại đã được sinh ra trong nano giây sau vụ nổ lớn. Kể từ đó, số lượng của chúng giảm dần, vì chúng phân hủy (khá hiếm) thành những hạt khác hoặc gặp đối hạt phản vật chất của chúng và hủy mất. Những tìm kiếm WIMP gián tiếp, bao gồm Kính thiên văn vũ trụ tia gamma Fermi trên quỹ đạo và vệ tinh PAMELA, tìm kiếm kết quả của những phân hủy và hủy cặp đó trong không gian vũ trụ, còn IceCube và ANTARES thì tìm kiếm các neutrino sinh ra bởi sự hủy cặp tại tâm của Trái đất và mặt trời. Cho đến nay, những tìm kiếm này chưa tìm thấy bất kì sự xác nhận có sức thuyết phục nào.
Người ta cũng hi vọng rằng các hạt WIMP sẽ hiện thân trong các va chạm hạt tại Máy Va chạm Hadron Lớn thuộc CERN – không phải dưới dạng số lượng hạt mỗi giây, mà dưới dạng một lượng năng lượng và động lượng nhất định còn thiếu trong những phân hủy hạt nhất định.
Axion
Tuy nhiên, những thí nghiệm khác đang theo đuổi các axion, một loại khác của hạt vật chất tối có mặt trong một bộ lí thuyết khác. Nó còn tương tác yếu hơn cả WIMP và khó tìm kiếm hơn.
“Nếu bạn có một axion ở trên bàn trước mặt bạn, nó sẽ cần 1050 năm để phân hủy. Đó là một thời gian sống khác thường,” chừng bằng một tỉ tỉ tỉ tỉ lần tuổi của vũ trụ - phát biểu của Leslie Rosenberg, nhà nghiên cứu chính tại thí nghiệm ADMX tìm kiếm axion ở trường Đại học Washington. Vì thế, trong một thời gian dài, người ta nghĩ rằng không thể phát hiện ra axion bằng cách tìm kiếm những sản phẩm phân hủy của nó.
Tuy nhiên, vào giữa thập niên 1990, Rosenberg và các đồng sự của ông đã đi tới ý tưởng tăng cỡ một kĩ thuật khuyến khích các axion phân hủy bằng cách giam cầm chúng trong một từ trường rất mạnh. Mỗi đợt trăng xanh, như ông nói, một axion sẽ tương tác với từ trường này và tạo ra một photon ánh sáng vi sóng có thể phát hiện ra được.
Đó là một tìm kiếm khó khăn, nhưng Rosenberg cho biết ông nghĩ câu trả lời đã gần lắm rồi.
Giải pháp đa phương
Tuy nhiên, thật ra chẳng có lí do gì mà vũ trụ chỉ chứa một loại vật chất tối. Xét cho cùng, có rất nhiều hạt khác nhau cấu tạo nên 5% ít ỏi của chúng ta.
“Đa số các nghiên cứu đã thực hiện đều sử dụng những giả thuyết đơn giản nhất,” phát biểu của nhà vật lí Aaron Roodman thuộc Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC. “Nhưng chẳng có lí do gì để nghĩ vật chất tối sẽ là đơn giản.”
Đó là nguyên do khiến các nhà khoa học đang chọn nhiều cách tiếp cận khác nhau để tìm kiếm vật chất tối. Mỗi kĩ thuật có ưu điểm và nhược điểm riêng, và có những nguồn sai số hệ thống khác nhau. Và mỗi kĩ thuật nhạy với những hạt có khối lượng hoặc đặc trưng nhất định, nhưng không nhạy với những hạt khác.
“Chẳng có ai dám tin vào tín hiệu đầu tiên, cho dù nó có độ tin cậy cao, bởi vì bài toán quá lớn,”phát biểu của Jonathan Feng, một nhà vật lí lí thuyết tại trường Đại học California, Irvine. “Bạn cần kiểm tra nó hai lần, xác nhận nó theo càng nhiều cách càng tốt. Và chính xác kiểm tra như thế nào có lẽ còn tùy thuộc vào tín hiệu đầu tiên đó trông ra sao.”
Trần Nghiêm dịch
