Trong khi cỗ máy va chạm nguyên tử lớn nhất thế giới đang bận rộn tìm kiếm hạt boson Higgs – hạt lí giải tại sao những hạt khác có khối lượng – thì các nhà vật lí đã và đang lặng lẽ xây dựng những phòng thí nghiệm khổng lồ ở sâu bên dưới Trái đất.
Không, các nhà khoa học không ẩn giấu siêu nhân James Bond nào dưới đó cả. Thay vậy, họ đang làm việc ở sâu hơn một dặm bên dưới mặt đất để tìm kiếm một số hạt khó nắm bắt nhất của vũ trụ.
Các lớp đá có thể cung cấp bằng chứng của một lực mới và che chắn cho các thí nghiệm tinh vi khỏi tia vũ trụ và những hạt năng lượng cao khác, cho phép những hạt cực hiếm tự trình hiện. Từ phi hạt cho đến WIMP, dưới đây là một số hạt bí ẩn có lẽ đang ẩn náu dưới lòng đất.
Detector Large Underground Xenon nằm trong khu mỏ cũ Homestake ở South Dakota, Mĩ, có thể tìm kiếm những hạt tạo nên vật chất tối. Ảnh: Matt Kapust, Sanford Laboratory
Phi hạt (unparticle)
Các nhà vật lí đang săn tìm một lực cơ bản mới bên trong lớp bao của Trái đất. Phi hạt, nó hành xử vừa giống photon vừa giống hạt có khối lượng, có thể là nguyên nhân gây ra các tương tác spin tầm xa, một lực mới làm cho các electron trong nguyên tử sắp thẳng hàng spin của chúng trên những khoảng cách lớn.
Để tìm bằng chứng cho lực mới này, các nhà nghiên cứu đã lập bản đồ mật độ và spin electron bên trong lớp bao của Trái đất và hiện đang nghiên cứu xem những electron dưới lòng đất này có ảnh hưởng đến spin của neutron và electron trong hai thí nghiệm cách nhau chừng 4.828 km hay không. Nếu các electron trong lớp bao đang truyền một lực đến những hạt đó trong các thí nghiệm phòng lab, thì nó sẽ làm thay đổi tần số spin của chúng. Khi đó, lực mới này sẽ gia nhập cùng lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu trong việc miêu tả hành trạng của vũ trụ.
Những hạt vật chất tối
Vũ trụ của chúng ta chứa đầy chất liệu không nhìn thấy gọi là vật chất tối, nó có lực hút hấp dẫn mà người ta cho là nguyên nhân giữ cho các thiên hà khỏi bay ra xa nhau. Những lí thuyết hàng đầu hiện nay đề xuất rằng vật chất tối gồm những hạt nặng tương tác yếu, viết tắt là WIMP, chúng hiếm khi tương tác với vật chất bình thường.
Một vài phòng thí nghiệm trên thế giới, trong đó có Detector Large Underground Xenon (LUX) ở Homestake, Mĩ, khai thác lớp vỏ Trái đất làm lá chắn thí nghiệm khỏi những tia vũ trụ, có thể lần ra vài tương tác của các hạt WIMP với các nguyên tử bình thường. Cho đến nay, vết tích của các hạt WIMP chưa có nhiều, nhưng với một số thí nghiệm đang triển khai, bằng chứng của các hạt WIMP có thể xuất hiện trong vài năm sắp tới.
Neutrino mặt trời
Các nhà vật lí tại Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso, một máy dò hạt chôn sâu một dặm bên dưới vùng núi Italy, đã tóm được các neutrino mặt trời đang biến đổi loại, hay biến đổi “mùi”. Các phản ứng hạt nhân trên mặt trời tạo ra những hạt không điện tích này, nhưng các lí thuyết hàng đầu hiện nay đề xuất rằng chúng biến đổi mùi khi truyền đến Trái đất. Vì thế, các nhà vật lí tìm kiếm những mùi neutrino mặt trời nhất định đã đo được sự thiếu hụt neutrino mặt trời thuộc mùi mà họ trông đợi.
Neutrino mặt trời hiếm khi tương tác với vật chất, nhưng bằng cách bắn những chùm hạt đi xa 731 km từ phòng thí nghiệm CERN đến phòng thí nghiệm dưới lòng đất ở Gran Sasso, các nhà vật lí đã tóm được các neutrino đang biến đổi mùi. Kết quả của họ xác nhận rằng các neutrino thật sự biến đổi mùi khi chúng truyền đi khỏi mặt trời.
Tìm kiếm neutrino địa cầu
Neutrino có thể hình thành tại mặt trời, nhưng chúng còn được tạo ra từ các nguyên tố phóng xạ có trong lớp bao của Trái đất. Phòng thí nghiệm Gran Sasso cũng đã tách được một số cái gọi là neutrino địa cầu này, chúng hình thành khi uranium hoặc thorium phân hủy phóng xạ. Những hạt này có thể giải thích có bao nhiêu nhiệt sinh ra bên trong Trái đất, chi phối chuyển động của các mảng kiến tạo. Để tóm được những neutrino địa cầu này phát ra từ lớp bao của Trái đất, các nhà nghiên cứu sử dụng một chất lỏng gốc dầu mỏ phát sáng nhấp nháy, chúng phát ra ánh sáng khi có những hạt dưới nguyên tử va vào trong chất lỏng. Các nhà nghiên cứu nhận ra neutrino địa cầu bởi vì chúng phát ra một positron sau đó là một neutron khi va vào các nguyên tử của chất lỏng, làm giải phóng một lóe sáng đặc trưng.
Phân hủy nucleon
Mặc dù nhiều hạt dưới nguyên tử bị vỡ thành những hạt khác, nhưng cho đến nay chưa ai từng thu được sự phân hủy của proton hay neutron, những hạt cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử. Phân hủy nucleon đã được Lí thuyết Thống nhất Lớn dự đoán – lí thuyết hướng đến giải thích mọi thứ trong vật lí học.
Để tìm bằng chứng của sự phân hủy hiếm này, các nhà khoa học tại thí nghiệm Super-Kamiokande nằm dưới ngọn núi Kamioka ở Nhật Bản đã mất vài năm săn tìm phân hủy nucleon. Mặc dù cần đến một trăm trăm nghìn triệu tỉ nghìn tỉ (hay 10 lũy thừa 34) năm để cho proton phân hủy, nhưng các detector sẽ có thể tìm thấy ít nhất là một vài sự kiện thuộc loại này. Tuy nhiên, cho đến nay, Super K vẫn chưa tìm thấy bằng chứng nào của sự phân hủy proton.
Nguồn: Tia Ghose (LiveScience.com)
