Các nhà vật lí ở châu Âu vừa công khai các kế hoạch cho một đài quan trắc sóng hấp dẫn khổng lồ dưới lòng đất, nếu được tài trợ, có thể nó sẽ đi vào hoạt động vào giữa thập niên 2030. Phòng thí nghiệm châu Âu Nghiên cứu Sóng hấp dẫn và Giao thoa Nguyên tử (ELGAR) có thể đặt ở Pháp hoặc Italy và sẽ tiêu tốn chi phí xây dựng khoảng 200 triệu euro. Những người tham gia dự án đã nộp hồ sơ xin tài trợ để tiến hành thiết kế chi tiết và lập dự toán cho cơ sở thí nghiệm này.
Sóng hấp dẫn là các gợn nhấp nhô trong không-thời gian đã được Albert Einstei dự đoán hơn 100 năm trước. Vào năm 2015, cặp đôi Đài quan trắc Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser Tiên tiến (aLIGO) ở Mĩ và detector sóng hấp dẫn Virgo ở Italy đã phát hiện tín hiệu sóng hấp dẫn đầu tiên và kể từ đó hàng chục sự kiện như thế đã được phát hiện. Người ta kì vọng việc quan trắc và định vị các sóng hấp dẫn như thế sẽ được tăng cường trong những năm tới bởi sự hoàn thiện mới đây của đài quan trắc KAGRA ở Nhật Bản, đó là đài quan trắc sóng hấp dẫn dưới lòng đất đầu tiên sử dụng các gương ở nhiệt độ cực thấp.
Một địa điểm thích hợp cho ELGAR là Phòng thí nghiệm Souterrain à Bas Bruit ở miền nam nước Pháp.
Thay vì dò tìm sóng hấp dẫn bằng cách dùng gương cho phản xạ các chùm tia laser như đã thực hiện bởi aLIGO, Virgo và KAGRA, ELGAR sẽ sử dụng giao thoa kế nguyên tử. Phương pháp này chia tách một chùm nguyên tử – trong trường hợp ELGAR là các nguyên tử rubidium – thành hai nửa và cho phép hai nửa đó chuyển động trên một quãng đường nhất định trước khi kết hợp lại để tìm kiếm các khác biệt trong đường đi của chúng. Một đường đi dài hơn một chút sẽ là do một sự cong nhỏ xíu trong không-thời gian có thể do một sóng hấp dẫn đi qua gây ra.
Các giao thoa kế nguyên tử có xu hướng nhạy hơn ở tần số thấp so với các giao thoa kế laser vì các chùm nguyên tử chuyển động chậm hơn. “Kĩ thuật dành cho ELGAR đã chín muồi,” phát biểu của Benjamon Canuel, một trong những người chủ trương đề xuất ELGAR. “Nhiều viên gạch công nghệ của detector ELGAR nay đã sẵn sàng trong các thí nghiệm phòng lab song cần có một chương trình R&D đầy tham vọng để thu lợi từ các kĩ thuật đó trong một hạ tầng nghiên cứu quy mô lớn.”
ELGAR sẽ gồm hai cánh tay dài 32 km, mỗi cánh tay chứa 80 “máy đo trọng sai” nguyên tử bố trí cách nhau 200 m. Các máy đo trọng sai sẽ đo được các sai lệch tương đối về vị trí của các chùm nguyên tử khi chúng đi qua. Bố trí này sẽ cho phép các nhà nghiên cứu phát hiện sóng hấp dẫn trong phạm vi tần số 0,1 – 10 Hz; đây là mức tần số được phát ra bởi các cặp lỗ đen cỡ trung bình, chẳng hạn. Các lỗ đen này có khối lượng từ 100 đến một triệu khối lượng mặt trời, chúng khó tóm bắt song thiết yếu để giải thích liệu các siêu lỗ đen có được hình thành từ sự dãn nở của các lỗ đen nhỏ hay không, hay từ sự hợp nhất của nhiều lỗ đen nhỏ hơn, hay từ những kịch bản khác.
Phạm vi tần số này sẽ cho phép các nhà nghiên cứu lấp một khoảng trống trong các quan trắc, biết rằng các detector mặt đất như LIGO bao quát phạm vi tần số từ khoảng 10 Hz đến 10.000 Hz còn các đài quan trắc trên không gian, nếu được triển khai vào thập niên 2030, sẽ nghiên cứu sóng hấp dẫn từ 0,1 mHz đến 0,1 Hz.
Có ba địa điểm thích hợp cho ELGAR – Phòng thí nghiệm Souterrain à Bas Bruit (LSBB) ở miền nam nước Pháp và hai khu quặng mỏ cũ ở hòn đảo Sardinia trong Địa Trung Hải. LSBB hiện là địa điểm lắp đặt Antenna Lực hấp dẫn Giao thoa kế Laser Sóng Vật chất (MIGA) – một minh chứng giao thoa kế nguyên tử được xây dựng bởi một consortium gồm 17 viện nghiên cứu ở Pháp và có một hộp cộng hưởng quang học dài 150 m. MIGA sẽ thực hiện các phép đo chính xác về lực hấp dẫn đồng thời với các ứng dụng khoa học địa cầu và vật lí cơ bản.
“Việc chọn lựa địa điểm cho ELGAR sẽ là một mục tiêu quan trọng khác của nghiên cứu thiết kế, nó sẽ đem lại một phương pháp luận chính xác để so sánh địa điểm và mô tả đặc điểm, ngoài ra cuối cùng còn phải xét đến những địa điểm khác ở châu Âu,” Canuel nói với tạp chí Physics World.
Đề xuất ELGAR tương tự với một kế hoạch mới công bố hồi đầu năm nay bởi các nhà vật lí ở Trung Quốc. Gọi là Antenna Lực hấp dẫn Giao thoa kế Nguyên tử Đường cơ sở Dài Zhaoshan (ZAIGA-GW), nếu được xây dựng, nó sẽ gồm ba đường hầm dài 1 km xếp thành một tam giác đều với mỗi cánh tay là một giao thoa kế nguyên tử độc lập. Với chi phí 1,5 tỉ nhân dân tệ, mục tiêu của nó là phát hiện sóng hấp dẫn trong phạm vi tần số 0,1 – 10 Hz và về sau có thể nâng cấp thành các cánh tay dài 3 hoặc 10 km.
Đội nghiên cứu đề xuất ELGAR đến từ sáu nước Liên minh châu Âu và hiện nay họ đang nộp đơn xin tài trờ để thực hiện một nghiên cứu thiết kế hoàn chỉnh cho cơ sở thí nghiệm, bao gồm cả một bản phân tích chi phí đầy đủ. “ELGAR khá độc đáo ở châu Âu,” Canuel nói. “Nó là thiết bị cỡ lớn đầu tiên hoạt động chỉ dựa vào các công nghệ lượng tử và là dự án hạ tầng nghiên cứu duy nhất ở châu Âu dựa trên giao thoa kế sóng vật chất.”
Nguồn: physicsworld.com
