Máy dò hạt ma ở độ sâu 1.600 m

Nhóm nghiên cứu ở phòng thí nghiệm Fermilab sẽ quan sát hạt ma di chuyển qua 1.287 km giữa các máy dò, từ đó khám phá bí ẩn về vũ trụ.

Một trong những hang động chứa máy dò hạt ma trong dự án DUNE. Ảnh: Matthew Kapust

Cách đây gần 7 năm, các đội công nhân bắt đầu đào 800.000 tấn đất đá ra khỏi một mỏ vàng cũ gần thành phố Lead, bang Nam Dakota. Kết quả là hang động dưới lòng đất dài 152,4 m và đủ cao để chứa một tòa nhà 7 tầng. Ước tính tiêu tốn ít nhất 3 tỷ USD, dự án DUNE (Thí nghiệm neutrino dưới lòng đất sâu) do các nhà khoa học ở phòng thí nghiệm Fermilab của Bộ Năng lượng Mỹ phụ trách. Mỗi hang động sẽ chứa 17.500 tấn argon lỏng giúp những nhà vật lý ở Fermilab phát hiện hạt neutrino hay còn gọi là hạt ma, theo Business Insider.

Neutrino là hạt hạ nguyên tử ở xung quanh con người, có thể truyền qua mà không bị phát hiện. "Nếu bạn nắm tay, có 10 tỷ hạt neutrino từ Mặt Trời truyền qua tay bạn mỗi giây", nhà vật lý Mary Bishai, phát ngôn viên của dự án DUNE, cho biết.

Neutrino có biệt danh là hạt ma do chúng không có điện tích và do đó hiếm khi tương tác với bất cứ thứ gì mà chúng tiếp xúc. Điều này khiến neutrino cực kỳ khó nghiên cứu. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn kiên trì bởi neutrino có thể đóng vai trò chủ chốt giúp giải mã nhiều bí ẩn của vũ trụ, từ những gì xảy ra sau vụ nổ Big Bang tới quan sát sự ra đời của hố đen. Nghiên cứu một hạt không phát ra bức xạ và nhẹ hơn electron là một thách thức, theo Bishai.

Nhóm chuyên gia ở Fermilab muốn nghiên cứu neutrino ở mức độ chi tiết chưa từng có với DUNE. Đó là lý do DUNE sẽ sở hữu những máy dò neutrino lớn nhất từng được chế tạo. Sau khi hoàn thành, thí nghiệm sẽ bắt đầu với một loạt máy gia tốc hạt tại cơ sở của Fermilab bên ngoài Chicago, Illinois. Các máy gia tốc sẽ bắn một chùm hạt neutrino cực mạnh qua máy dò ở Fermilab. Chùm hạt sau đó sẽ di chuyển dưới lòng đất qua 1.287 km tới máy dò ở Cơ sở nghiên cứu dưới lòng đất Sanford Nam Dakota.

Có 3 loại neutrino và các hạt có thể chuyển đổi giữa những loại đó trong hiện tượng mang tên dao động (oscillation). Một nhà khoa học ở Fermilab từng so sánh hiện tượng với một con mèo nhà biến đổi thành báo đốm, sau đó trở thành con hổ trước khi quay lại hình dáng ban đầu. Theo dõi neutrino thay đổi như thế nào qua khoảng cách dài như vậy giữa Illinois và Nam Dakota sẽ giúp giới khoa học hiểu rõ hơn về dao động. Việc tiến hành thí nghiệm ở độ sâu 1,6 km dưới lòng đất bảo vệ những hạt dao động mong manh trước tia vũ trụ chứa năng lượng liên tục dội xuống bề mặt Trái Đất mỗi giây, đe dọa ảnh hưởng tới dữ liệu.

Các nhà khoa học hy vọng có thể giải đáp 3 câu hỏi chính với DUNE: tại sao vũ trụ cấu tạo từ vật chất thay vì phản vật chất, điều gì xảy ra khi một ngôi sao sụp đổ và proton có phân rã hay không. Chùm hạt của DUNE được thiết kế để tạo ra cả neutrino và phản neutrino. Quan sát dao động ở mỗi loại có thể giúp nhà nghiên cứu đoán được điều gì xảy ra với mọi phản vật chất.

Dự án cũng phục vụ vật lý siêu tân tinh, theo Bishai. Năm 1987, giới thiên văn học chứng kiến một vụ nổ siêu tân tinh cực sáng gần nhất trong vòng 400 năm. Với các máy dò có sẵn thời đó, họ chỉ có thể phát hiện hơn hai chục hạt neutrino. Có 40% khả năng một ngôi sao khác gần đó phát nổ trong thập kỷ tới và Fermilab hy vọng ít nhất một trong những máy dò ở Nam Dakota sẽ đi vào hoạt động kịp thời. Một máy dò lớn cỡ đó có thể thu thập hàng nghìn hạt neutrino, hé lộ cách hố đen và sao neutron hình thành.

Cuối cùng, các nhà khoa học vẫn chưa thấy proton phân rã, nhưng có lý thuyết dự đoán về điều đó. Proton là những hạt tích điện dương cực nhỏ, nằm trong nhân của nguyên tử. Nếu proton có phân rã, quá trình sẽ kéo dài cực lâu. Nhưng máy dò neutrino có thể tìm kiếm những dấu hiệu khác nhau của quá trình phân rã proton.

Hiện nay, có một số dự án neutrino trên khắp thế giới, bao gồm Tổ hợp nghiên cứu gia tốc proton Nhật Bản (J-PARC) và Cơ quan nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN). Điều khiến DUNE trở nên độc nhất là việc sử dụng argon và khoảng cách dài giữa các máy dò.

Do vấn đề ngân sách và lịch trình, dự án DUNE được thiết kế với 4 máy dò argon nhưng sẽ bắt đầu hoạt động với hai máy. Máy dò đầu tiên sẽ đi vào hoạt động cuối năm 2028 và máy dò thứ hai bắt đầu vận hành sau đó một năm. Chúng sẽ hoạt động trong trường hợp có vụ nổ siêu tân tinh, nhưng tới năm 2031, chùm hạt mới sẵn sàng. Dự án là kết quả cộng tác của 1.400 người từ 36 nước.

An Khang (Theo Business Insider)