Có thể phát hiện vật chất tối nếu nó không va chạm?

Dấu hiệu đặc trưng của vật chất tối là nó có trọng lực nhưng không cho thấy bất kỳ dấu hiệu nào của sự tương tác thông qua các lực khác. Liệu điều đó có nghĩa là chúng ta sẽ không bao giờ phát hiện được nó?

Đặc điểm của vật chất tối và khả năng phát hiện nó

Một trong những bí ẩn vĩ đại nhất của vũ trụ là câu hỏi: chính xác thì vũ trụ được cấu tạo từ những gì? Ngành vật lý hạt thực nghiệm đã tiết lộ một phần đáng kinh ngạc của câu chuyện này khi phát hiện ra rằng tất cả mọi thứ tạo nên chúng ta và các vật thể mà chúng ta có thể trực tiếp tương tác đều được đại diện trong Mô hình chuẩn (Standard Model): các hạt quark, lepton mang điện, neutrino, photon, gluon và thậm chí cả các boson nặng, không bền như W, Z và Higgs.

Tuy nhiên, tất cả những điều này – tất cả những gì chúng ta thấy, biết và phát hiện được – chỉ chiếm khoảng 5% tổng năng lượng của vũ trụ. Trong khi đó, khoảng 27% là một chất bí ẩn có hành vi giống như một hạt có khối lượng, được gọi là vật chất tối, và 68% còn lại được gọi là năng lượng tối, một dạng năng lượng dường như gắn liền với không gian vũ trụ.

Bằng chứng quan sát và thách thức trong việc phát hiện trực tiếp

Mặc dù có một loạt các bằng chứng quan sát áp đảo chỉ ra sự tồn tại và ảnh hưởng của vật chất tối đối với các cấu trúc vũ trụ – từ các thiên hà đến các nhóm thiên hà, cụm thiên hà, sợi vật chất vũ trụ và mạng lưới vũ trụ quy mô lớn – nhưng tất cả các thí nghiệm phát hiện trực tiếp cho đến nay chỉ đưa ra kết quả âm tính.

Sự thiếu hụt các phát hiện trực tiếp này khiến nhiều người nghi ngờ về sự tồn tại của vật chất tối, và điều đó hoàn toàn dễ hiểu. Liệu có phải mọi nỗ lực phát hiện trực tiếp đều bị định sẵn là thất bại? Đó là câu hỏi mà Tiến sĩ Able Lawrence muốn biết khi ông đặt ra vấn đề:

Nếu vật chất tối không va chạm, thậm chí với chính nó, thì làm thế nào để bạn phát hiện nó bằng các thiết bị dò tìm dựa vào va chạm?

Đây là một câu hỏi hay và đầy thách thức, và chúng ta cần phải xem xét nó một cách nghiêm túc. Dưới đây là những gì khoa học có thể trả lời về vấn đề này.

Mô hình, mô phỏng và vai trò của vật chất tối trong các thiên hà

Theo các mô hình và mô phỏng, tất cả các thiên hà đều được bao bọc trong các quầng vật chất tối (dark matter haloes), với mật độ cao nhất ở trung tâm các thiên hà. Trong khoảng thời gian đủ dài, có thể lên đến hàng tỷ năm, một hạt vật chất tối đơn lẻ từ rìa của quầng này sẽ hoàn thành một quỹ đạo xung quanh thiên hà.

Nếu không có quầng vật chất tối khổng lồ này, các thiên hà sẽ nhỏ hơn, khối lượng thấp hơn và không thể giữ lại các vật chất bị tống ra từ các vụ nổ sao siêu tân tinh (stellar cataclysms). Điều này có nghĩa là vai trò của vật chất tối rất quan trọng trong việc duy trì cấu trúc và sự tiến hóa của các thiên hà như chúng ta thấy ngày nay.

Quan sát thực tế cho thấy có một lượng lớn bằng chứng chỉ ra sự hiện diện của một dạng năng lượng đã tồn tại từ rất sớm trong lịch sử vũ trụ. Dạng năng lượng này có trọng lực giống như vật chất thông thường mà chúng ta biết, nhưng không có bất kỳ bằng chứng nào cho thấy nó tương tác theo cách khác, dù là với chính nó hay với các hạt đã biết trong Mô Hình Chuẩn.

Chúng ta thấy bằng chứng về sự hiện diện của vật chất tối – nguồn gốc của lực hấp dẫn bí ẩn này – thông qua nhiều phương pháp đo lường vũ trụ khác nhau. Nó xuất hiện khi:

– Chúng ta cân đo khối lượng của các thiên hà đơn lẻ,

– Chúng ta cân đo các cặp thiên hà đang tương tác với nhau,

– Chúng ta đo các hiệu ứng thấu kính hấp dẫn (gravitational lensing) của các thiên hà, nhóm thiên hà hoặc cụm thiên hà,

– Chúng ta so sánh tổng lượng vật chất thông thường trong các ngôi sao, khí, bụi, plasma và các lỗ đen với tổng khối lượng mà chúng ta quan sát được ở nhiều vật thể vũ trụ khác nhau,

– Chúng ta phân tích mô hình dao động trong bức xạ phông vũ trụ (CMB), ánh sáng còn sót lại từ Big Bang (Big Bang),

– Chúng ta nghiên cứu các mô hình phân bố của mạng lưới vũ trụ (cosmic web),

– Và khi chúng ta đo một đặc điểm được gọi là dao động âm baryon (baryon acoustic oscillations), được khắc họa trong mối tương quan giữa các thiên hà trên khoảng cách hàng trăm triệu năm ánh sáng.

Tất cả những bằng chứng có thể đo lường độc lập này đều chỉ ra rằng vật chất thông thường mà chúng ta thấy là hoàn toàn không đủ để giải thích vũ trụ mà chúng ta quan sát được. Điều này đồng nghĩa với việc phải có một thứ gì đó khác – một thành phần chưa biết – đang tồn tại và chi phối các cấu trúc vũ trụ mà chúng ta vẫn chưa phát hiện được trực tiếp.

Vấn đề không nằm ở chỗ vật chất tối có tồn tại hay không, mà là làm thế nào để chúng ta có thể phát hiện và nghiên cứu nó, bất chấp sự thiếu vắng các tương tác thông thường mà các thiết bị đo lường hiện tại có thể dò tìm. Đây vẫn là một trong những thách thức lớn nhất của vật lý hiện đại và vũ trụ học.

Tỷ lệ dự đoán của heli-4, deuteri, heli-3 và liti-7 như được dự đoán bởi quá trình Tổng Hợp Hạt Nhân Big Bang (Big Bang Nucleosynthesis), với các quan sát được thể hiện bằng các vòng tròn đỏ. Nếu có ít photon trên mỗi baryon hơn nhiều (nằm xa về phía bên phải), mọi thứ sẽ biến thành heli hoặc các nguyên tố nặng hơn từ rất sớm, không còn hydro tự do tồn tại.

Một bằng chứng mạnh mẽ khác nhưng thường bị bỏ qua được thể hiện ở trên: sự phong phú của các nguyên tố nhẹ và các đồng vị của chúng, được hình thành từ rất lâu trước khi ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ bùng cháy.

Ngay từ sớm, trong lò nung của Big Bang (Big Bang), nhiệt độ đủ cao và mật độ đủ lớn để các phản ứng hạt nhân diễn ra. Tại đây, các proton và neutron đã tham gia vào các phản ứng nhiệt hạch, tạo ra nhiều nguyên tố nhẹ và các đồng vị của chúng với tỷ lệ không hề nhỏ. Điều này bao gồm sự hình thành của:

– Deuteri (deuterium) (một proton và một neutron),

– Triti (tritium) (một proton và hai neutron, sau này sẽ phân rã thành heli-3),

– Heli – 3 (helium – 3) (hai proton và một neutron),

– Heli – 4 (helium – 4) (hai proton và hai neutron),

– Liti – 7 (lithium – 7) (ba proton và bốn neutron),

– Beri – 7 (beryllium – 7) (bốn proton và ba neutron, sau này sẽ phân rã thành liti-7),

– và một lượng rất nhỏ các nguyên tố nặng hơn, như beri-9 (beryllium-9) và xa hơn nữa.

Tầm quan trọng của quá trình tổng hợp hạt nhân Big Bang

Vật lý hạt nhân diễn ra trong giai đoạn đầu của vũ trụ – ngày nay được biết đến với tên gọi Tổng hợp hạt nhân Big Bang (Big Bang Nucleosynthesis) – là một quá trình phi thường. Tất cả các phản ứng xảy ra trong quá trình này, để lại tỷ lệ cụ thể giữa các nguyên tố và đồng vị khác nhau, chỉ phụ thuộc vào một tham số vũ trụ duy nhất: tỷ lệ baryon trên photon (baryon-to-photon ratio).

Chúng ta đã đo lường giá trị này một cách chính xác và phát hiện ra rằng nó vào khoảng 6 × 10⁻¹⁰, nghĩa là có khoảng 1 baryon (tức là proton hoặc neutron) cho mỗi 1,7 tỷ photon trong vũ trụ. Tỷ lệ này tương ứng với mật độ vật chất chiếm khoảng 5% tổng mật độ năng lượng của vũ trụ.

Tuy nhiên, các phép đo tổng lượng vật chất trong vũ trụ – chẳng hạn từ các cụm thiên hà và các quan sát thấu kính hấp dẫn (gravitational lensing) – lại tiết lộ một con số lên tới khoảng 30% tổng mật độ năng lượng của vũ trụ.

Một cụm thiên hà có thể được tái cấu trúc khối lượng từ dữ liệu thấu kính hấp dẫn sẵn có. Phần lớn khối lượng không nằm bên trong các thiên hà riêng lẻ (thể hiện dưới dạng các đỉnh), mà nằm ở môi trường liên thiên hà (intergalactic medium) trong cụm thiên hà, nơi vật chất tối dường như tồn tại.

Các mô phỏng chi tiết hơn và các quan sát thực tế có thể tiết lộ cả cấu trúc phụ của vật chất tối, với dữ liệu phù hợp mạnh mẽ với các dự đoán của mô hình vật chất tối lạnh (cold dark matter). Nếu không có các hiệu ứng hấp dẫn của vật chất tối, hầu hết các thiên hà sẽ bị xé toạc trong các giai đoạn hình thành sao lớn.

Khi tổng hợp tất cả các bằng chứng này lại với nhau, chúng ta thấy rõ sự hiện diện của một dạng khối lượng nào đó trong vũ trụ không thuộc về Mô Hình Chuẩn. Hơn thế nữa, dạng khối lượng này phải có các đặc tính rất cụ thể, được giới hạn chặt chẽ bởi các quan sát vũ trụ học.

Đặc tính của vật chất tối là:

– Phải tồn tại từ rất sớm: Dấu ấn của nó được ghi lại rõ ràng trong bức xạ phông vũ trụ (CMB), phát ra chỉ 380.000 năm sau Big Bang.

– Phải di chuyển chậm so với tốc độ ánh sáng: Điều này có nghĩa là nó lạnh ngay từ khi hình thành, ngụ ý rằng nó được tạo ra ở trạng thái phi tương đối tính (non-relativistic) hoặc, nếu được tạo ra thông qua các quá trình nhiệt, thì nó phải đủ nặng để không bao giờ di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong suốt lịch sử vũ trụ.

– Không tự hủy diệt hoặc kết tụ như vật chất thông thường: Nó không tương tác thông qua lực điện từ, lực mạnh hay lực yếu theo bất kỳ cách nào đáng kể và có thể đo lường được, kể cả từ những thời kỳ sớm nhất của vũ trụ.

Chính vì những lý do này, điều mà ban đầu được gọi là vấn đề khối lượng thiếu hụt (missing mass problem) đã trở thành vấn đề vật chất tối (dark matter problem). Điều này phản ánh rằng vũ trụ phải chứa một loại năng lượng có khối lượng, có lực hấp dẫn nhưng không phát ra hoặc hấp thụ ánh sáng, cũng như không tương tác hay va chạm với vật chất thông thường hay chính nó theo bất kỳ cách nào có thể phát hiện được.

Đây vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ học hiện đại, thách thức các nhà khoa học tìm ra câu trả lời cho bản chất thật sự của vật chất tối.

Bằng chứng mạnh mẽ về sự tồn tại của vật chất tối

Bản đồ tia X (hồng) và vật chất tổng thể (xanh) của các cụm thiên hà va chạm cho thấy sự tách biệt rõ ràng giữa vật chất thông thường và các hiệu ứng hấp dẫn, đây là một trong những bằng chứng mạnh mẽ nhất cho sự tồn tại của vật chất tối.

Tia X xuất hiện dưới hai dạng: tia X mềm (năng lượng thấp) và tia X cứng (năng lượng cao), trong đó các va chạm giữa các thiên hà có thể tạo ra nhiệt độ từ vài trăm nghìn độ lên tới khoảng 100 triệu K.

Trong khi đó, thực tế rằng các hiệu ứng hấp dẫn (màu xanh) lại bị lệch so với vị trí của khối lượng vật chất thông thường (màu hồng) chứng tỏ rằng vật chất tối phải hiện diện. Nếu không có vật chất tối, những quan sát này (cùng với nhiều bằng chứng khác) không thể được giải thích một cách đầy đủ.

Bắt đầu từ giữa những năm 2000, chúng ta đã phát hiện ra các dấu hiệu rõ ràng rằng một loại khối lượng lớn nào đó phải tồn tại trong các thiên hà và các cụm thiên hà. Các hệ thống va chạm bắt đầu hé lộ sự phân tách rõ rệt giữa vật chất thông thường – loại bị nung nóng và phát ra tia X – và tổng khối lượng, được phát hiện thông qua các tín hiệu thấu kính hấp dẫn (gravitational lensing).

Bộ dữ liệu đầy đủ từ các quan sát mạnh mẽ chỉ ra sự tồn tại của một dạng năng lượng mới có khối lượng lớn, chịu tác động của lực hấp dẫn và kết tụ lại trên quy mô vũ trụ. Tuy nhiên, nó không dính vào nhau, không tương tác với ánh sáng, cũng như không tạo ra các cấu trúc liên kết với vật chất thông thường hoặc chính nó theo bất kỳ cách nào có thể phát hiện được.

2 Giả thuyết chính về bản chất của vật chất tối

Có hai ý tưởng chính đã được nghiên cứu kể từ nửa sau của thế kỷ 20:

Vật chất tối có thể giống WIMP

Vật chất tối có thể là các hạt WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), nghĩa là có thể đã từng tồn tại các hạt nặng, vượt ra ngoài Mô Hình Chuẩn, được tạo ra với số lượng lớn trong các giai đoạn đầu của Big Bang nóng bỏng.

Khi vũ trụ nguội dần, một số loại hạt tàn dư có khối lượng lớn vẫn tồn tại, di chuyển chậm so với tốc độ ánh sáng, và vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay.

Mặc dù hiếm gặp, các tương tác và va chạm với các hạt thuộc Mô Hình Chuẩn vẫn có thể xảy ra, vì chính các tương tác năng lượng cực cao đã tạo ra những hạt này ngay từ đầu.

Kịch bản WIMP thường xuất hiện khi có một loại hạt có khối lượng lớn được tạo ra từ sớm, sau đó ngừng được sinh ra khi vũ trụ giãn nở và nguội dần. Tuy nhiên, loại hạt này chỉ bị hủy diệt hoặc phân rã một phần, để lại một lượng tàn dư đáng kể vẫn tồn tại đến ngày nay, tạo nên vật chất tối mà chúng ta quan sát được.

Vật chất tối có thể giống Axion

Vật chất tối cũng có thể giống axion, nghĩa là nó có thể bao gồm các hạt – với bất kỳ khối lượng nào, không chỉ là hạt nặng – được kéo ra từ chân không lượng tử trong một giai đoạn chuyển pha của vũ trụ sơ khai.

Tuy nhiên, các hạt này được sinh ra ở trạng thái lạnh, gần như không có năng lượng động học.

Giả thuyết về đối xứng Peccei – Quinn và sự phá vỡ đối xứng đó là nguồn gốc của ý tưởng axion là vật chất tối và của cơ chế này.

Mặc dù ý tưởng ban đầu này hiện đã bị bác bỏ, nhưng việc tìm kiếm các axion và các hạt giống axion vẫn tiếp tục.

Cách tìm kiếm vật chất tối

Tìm kiếm các hạt giống WIMP

Để tìm kiếm các hạt giống WIMP, các nhà khoa học xây dựng các thí nghiệm nhằm tìm kiếm hiện tượng giật lùi hạt nhân (nuclear recoils), vì phải tồn tại một diện tích tiết diện tương tác khác không, ít nhất là ở một số mức năng lượng cao (và có thể cả ở mức năng lượng thấp hơn), giữa vật chất tối và ít nhất một trong các hạt thuộc Mô Hình Chuẩn.

Tìm kiếm các hạt giống Axion

Ngược lại, để tìm kiếm các hạt giống axion, cần xây dựng các khoang điện từ (electromagnetic cavity) có khả năng khai thác sự liên kết lý thuyết giữa axion (hoặc các hạt giống axion) và photon.

Ở nhiệt độ thấp và khi được điều chỉnh ở các tần số cụ thể, bất kỳ hạt vật chất tối nào tình cờ đi qua các máy dò – tùy thuộc vào khối lượng và tiết diện tương tác của chúng – có thể bị chuyển đổi thành photon. Việc phát hiện các photon đó sẽ là dấu hiệu đặc trưng của vật chất tối.

Bức ảnh này cho thấy máy dò ADMX đang được lấy ra khỏi thiết bị xung quanh, nơi tạo ra trường từ lớn để kích thích sự chuyển đổi từ axion sang photon.

Sương mù là kết quả của việc bộ phận làm lạnh tiếp xúc với không khí ấm và ẩm. Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm có thể đạt đến nhiệt độ khoảng ~nanokelvin hoặc thậm chí ~picokelvin: lạnh hơn rất nhiều so với bất kỳ điều gì tìm thấy trong vũ trụ tự nhiên.

Những giả thuyết khác về vật chất tối

Nhưng đây là điều quan trọng: vật chất tối không nhất thiết phải là tàn dư nhiệt được sinh ra từ các tương tác với các hạt thuộc Mô Hình Chuẩn. Nó cũng không nhất thiết phải là tàn dư kéo ra từ chân không có khả năng liên kết với photon (hoặc bất kỳ hạt nào khác trong Mô Hình Chuẩn).

Nó có thể là:

– Một neutrino tay phải (right – handed neutrino) nặng và kỳ lạ, được tạo ra ngay từ đầu Big Bang nóng bỏng và không bao giờ tương tác với bất kỳ điều gì trong Mô Hình Chuẩn.

– Một hạt WIMPzilla siêu nặng, được tạo ra từ sớm thông qua các quá trình hoàn toàn do lực hấp dẫn và sẽ không bao giờ tương tác với bất kỳ hạt nào trong Mô Hình Chuẩn thông qua bất kỳ lực nào.

– Hoặc một thứ gì đó tổng quát hơn, phát sinh từ một điều kiện cực kỳ không cân bằng (out – of – equilibrium), không nhất thiết phải tương tác với bất kỳ hạt hay trường nào của Mô Hình Chuẩn thông qua các tương tác mạnh, điện từ hoặc yếu.

Nếu bất kỳ giả thuyết nào trong số này là đúng, thì tất cả các loại thí nghiệm hiện nay của chúng ta chỉ đơn giản là tiếp tục đẩy giới hạn dưới của tiết diện tương tác xuống mức thấp hơn và thấp hơn đối với vật chất tối trong một phạm vi khối lượng nhất định.

Đây là một thành tựu đáng kinh ngạc của vật lý thực nghiệm, nhưng nếu đúng như vậy, nó sẽ không bao giờ tiết lộ bản chất thực sự của vật chất tối một cách trực tiếp.

Hai biểu đồ này cho thấy các giới hạn về tiết diện tương tác không phụ thuộc vào spin giữa WIMPs và vật chất tối từ thí nghiệm XENON (bên trái) và sự so sánh giữa XENON với PANDA-X và LZ, hai thí nghiệm vật chất tối đương đại cạnh tranh.

Với những cải tiến hiện tại, XENON sẽ có khả năng cạnh tranh với cả hai và thậm chí có thể vượt qua tất cả trong vài năm tới.

Hiểu lầm về vật chất tối và tương tác yếu

Nhiều người nghĩ rằng vì chúng ta thường nói về vật chất tối có thể được tạo thành từ WIMPs, mà WIMP là viết tắt của Weakly Interacting Massive Particle (hạt có khối lượng lớn và tương tác yếu), nên chúng ta hoàn toàn mong đợi nó sẽ tương tác thông qua lực yếu.

Điều này không đúng!

Có một kịch bản được gọi là phép màu WIMP (WIMP miracle), trong đó nếu bạn tạo ra một tàn dư nhiệt trong các mô hình siêu đối xứng hoặc các kịch bản tương tự, thì tiết diện tương tác cần thiết để tạo ra lượng hạt có khối lượng phù hợp với các quan sát tình cờ trùng khớp với các tiết diện tương tác được dự đoán thông qua lực yếu.

Tuy nhiên, khi dữ liệu từ LHC ngày càng cho thấy bằng chứng thuyết phục hơn, không gian tham số cho kịch bản phép màu WIMP gần như đã bị loại trừ hoàn toàn.

Phép màu WIMP, ngoại trừ đối với những người tin tưởng mạnh mẽ vào siêu đối xứng, gần như đã chết.

Kịch bản mới: Vật chất tối không tương tác ngoài lực hấp dẫn

Thay vào đó, tôi cho rằng chúng ta nên nhận ra rằng điều từng được coi là ác mộng trong nghiên cứu vật chất tối – khả năng rằng nó không có bất kỳ tương tác nào có thể quan sát được ngoài lực hấp dẫn – có thể thực sự là kịch bản mà tự nhiên đã bày ra trước mắt chúng ta.

Động lực lý thuyết cho vật chất tối hoàn toàn không va chạm là rất mạnh mẽ, vì có:

– Không có tín hiệu nào chỉ ra sự va chạm với các hạt nhân nguyên tử.

– Không có tín hiệu nào cho thấy sự chuyển đổi thành photon.

– Không có tín hiệu nào cho thấy sự tự tương tác hoặc tiết diện tự hủy diệt.

Tuy nhiên, các bằng chứng quan sát được về sự hiện diện của vật chất tối lại vô cùng áp đảo.

Cơ chế tạo ra các hạt chỉ tương tác thông qua lực hấp dẫn

Các hạt chỉ tương tác thông qua lực hấp dẫn vẫn có thể được tạo ra thông qua nhiều cơ chế khác nhau trong vũ trụ sơ khai, chẳng hạn như vào cuối giai đoạn lạm phát vũ trụ (cosmic inflation).

Trong khi mật độ vật chất (màu đỏ) và mật độ bức xạ (màu xanh lá) vào thời điểm ban đầu đã được xác định, thì mật độ của các hạt chỉ chịu tác động hấp dẫn (đường nét đứt) lại phụ thuộc vào các tham số chưa được đo lường.

Ở mọi nơi ngoại trừ vùng màu vàng trên biểu đồ, vật chất tối được tạo ra theo cách này sẽ không bao giờ đạt được trạng thái cân bằng nhiệt với phần còn lại của vũ trụ sơ khai.

Đây không phải là một khiếm khuyết hay sai sót trong các kỹ thuật của chúng ta; đó là một giới hạn do chính vũ trụ áp đặt lên những gì chúng ta có thể làm việc cùng.

Chúng ta chỉ biết cách tương tác với các hạt thuộc Mô Hình Chuẩn. Nếu suy nghĩ tổng quát hơn, bất kỳ dạng năng lượng nào tác động lên một hạt – chẳng hạn như quark, gluon, electron, – sẽ truyền năng lượng và động lượng cho hạt đó khi xảy ra va chạm.

Chúng ta có thể xây dựng các máy dò khổng lồ xung quanh các tập hợp vật chất, những thứ được tạo thành từ quark, gluon và electron, và tìm kiếm bất kỳ tín hiệu thứ cấp nào được tạo ra từ các va chạm như vậy.

Mục tiêu không nên là tìm kiếm vật chất tối, vì điều đó giả định rằng chúng ta biết tự nhiên đang vận hành như thế nào, điều mà chúng ta không thể biết cho đến khi thực sự phát hiện ra nó.

Mục tiêu nên là khám phá tự nhiên một cách toàn diện nhất có thể và kiểm tra càng nhiều kịch bản hợp lý (hoặc thậm chí chưa bị bác bỏ) càng tốt.

Nỗ lực tạo ra các thí nghiệm với:

– Các mẫu vật liệu lớn hơn, tinh khiết hơn.

– Quan sát chúng trong thời gian dài hơn.

– Với các tín hiệu nền được kiểm soát chặt chẽ và sai số ngày càng nhỏ hơn.

Đó thực sự là những gì tốt nhất mà chúng ta có thể làm với vũ trụ này.

Mặc dù có nhiều ý kiến cho rằng những nỗ lực này không có giá trị khoa học, nhưng lựa chọn duy nhất còn lại là từ bỏ trước khi thậm chí cố gắng thực hiện, điều này không bao giờ là cách tiếp cận đúng đắn trong khoa học.

Trong khi các máy dò DUNE cuối cùng sẽ được đặt tại Illinois và South Dakota, các máy dò thử nghiệm ProtoDUNE có kích thước bằng một ngôi nhà đã được lắp ráp và thử nghiệm tại CERN ở châu Âu.

Hai bệ thử nghiệm này được xây dựng trong nền tảng neutrino mới và chứa hàng trăm tấn argon lỏng. Chúng sẽ dẫn đến thí nghiệm dao động neutrino tiên tiến và chính xác nhất từng được thực hiện trên thế giới.

Độ nhạy của DUNE đối với vật chất tối là một ví dụ về khoa học thứ cấp sẽ xuất hiện từ dự án này.

Khoa học không bao giờ bỏ cuộc

Khi tôi viết bài này vào mùa hè năm 2024, trong lúc chứng kiến những vận động viên giỏi nhất thế giới nỗ lực hết mình trong các cuộc thi đấu, bỏ cuộc có vẻ là cách tiếp cận hèn nhát và thiếu tham vọng nhất có thể.

Đúng là ngay cả những thí nghiệm tốt nhất mà chúng ta có thể thực hiện đều có những hạn chế vốn có, và chỉ khi một số giả định nhất định về các đặc tính va chạm và tương tác của vật chất tối là đúng thì bất kỳ kỹ thuật hiện tại nào của chúng ta mới có thể mang lại một phát hiện dương tính.

Nhưng điều đó không có nghĩa là các thí nghiệm này vô giá trị; ngược lại, nó nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thực hiện chúng.

Bản chất của vật chất tối vẫn chưa được biết đến, và nếu chúng ta muốn hiểu rõ hơn về nó, thì đây không chỉ là những thí nghiệm tốt nhất mà chúng ta có thể thực hiện, mà còn là những loại thí nghiệm duy nhất mà chúng ta biết cách thực hiện có khả năng ràng buộc chặt chẽ hơn – hoặc, nếu may mắn, tiết lộ – các đặc tính thực sự của vật chất tối.

Bất cứ khi nào chúng ta bước vào vùng đất chưa được khám phá, vượt ra ngoài những hiểu biết hiện tại, chúng ta đều phải tối đa hóa tiềm năng khám phá của mình đồng thời đảm bảo rằng mình không rơi vào bẫy của những suy nghĩ ảo tưởng, hay tìm thấy một điều gì đó phù phiếm chỉ để thỏa mãn kỳ vọng và hy vọng của bản thân.

Cách tiếp cận này đối với khoa học cơ bản đã đưa chúng ta đến vị trí hiện tại và tiếp tục giúp chúng ta khám phá bản chất của thực tại ở cấp độ cơ bản với độ chính xác chưa từng có trước đây.

Đúng vậy, nếu vật chất tối thực sự không có va chạm, thì những thí nghiệm mà chúng ta đang thực hiện và lên kế hoạch xây dựng sẽ không tiết lộ được bản chất của nó.

Tuy nhiên, khoa học là một hành trình tích lũy, và mỗi bước đi trên con đường này đều mang lại những bài học quý giá, miễn là chúng ta sẵn sàng học hỏi từ những gì mà tự nhiên tiết lộ về chính nó.