SuperCDMS sẽ tìm kiếm các ứng cử viên vật chất tối như các hạt khối lượng lớn tương tác yếu (WIMP). Nguồn: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Sâu dưới lòng đất của một mỏ ở Canada, các nhà khoa học đã đưa một trong những thí nghiệm lạnh nhất từng được xây dựng vào hoạt động. Thí nghiệm Tìm kiếm Vật chất Tối Siêu Lạnh (SuperCDMS) hiện đã đạt đến nhiệt độ hoạt động, cho phép các thiết bị dò của nó cuối cùng được bật lên và bắt đầu khám phá một trong những bí ẩn lớn nhất của vật lý.

Ở nhiệt độ chỉ cao hơn độ không tuyệt đối vài phần nghìn độ, hệ thống này lạnh hơn không gian sâu thẳm rất nhiều. Ở nhiệt độ này, chuyển động do nhiệt bên trong vật chất gần như biến mất, tạo ra một môi trường đủ yên tĩnh để phát hiện các tín hiệu cực kỳ yếu mà nếu không sẽ bị mất đi.

Cột mốc này đánh dấu sự chuyển đổi từ nhiều năm xây dựng sang giai đoạn bắt đầu hoạt động khoa học. Với các thiết bị dò hiện đã đi vào hoạt động, các nhà nghiên cứu đang chuẩn bị khám phá một phần của vũ trụ chưa từng được quan sát trực tiếp.

Phát hiện các hạt vật chất tối bí ẩn

Vật chất tối chiếm khoảng 85% tổng lượng vật chất trong vũ trụ, nhưng nó chưa bao giờ được phát hiện trực tiếp. Các nhà khoa học biết nó tồn tại nhờ tác động hấp dẫn của nó lên các thiên hà, nhưng bản chất thực sự của nó vẫn chưa được biết đến. Nếu các hạt vật chất tối đi xuyên qua Trái đất, như các mô hình hiện tại gợi ý, thì các thí nghiệm như SuperCDMS được thiết kế để ghi lại những khoảnh khắc hiếm hoi khi chúng tương tác với vật chất thông thường.

Tấm chắn nền thấp SuperCDMS

 “Việc đạt được nhiệt độ cơ bản là một cột mốc quan trọng trong chiến dịch kéo dài nhiều năm nhằm xây dựng một cơ sở có độ nhiễu nền thấp, đủ khả năng chứa các máy dò trạng thái rắn đông lạnh nhạy cảm của chúng tôi,” Priscilla Cushman, giáo sư tại Trường Vật lý và Thiên văn học Đại học Minnesota và là người phát ngôn của SuperCDMS, cho biết. “Ở nhiệt độ cực thấp này, các máy dò đã lắp đặt của chúng tôi giờ đây có thể quét một vùng không gian tham số hoàn toàn mới, nơi các hạt vật chất tối nhẹ nhất có thể ẩn náu.”

Thiết kế môi trường có nhiễu nền thấp

Nhóm nghiên cứu của Đại học Minnesota đã thiết kế, tìm nguồn cung ứng và lắp ráp một hệ thống che chắn bảo vệ các máy dò khỏi bức xạ vết và neutron được tạo ra do tia vũ trụ tương tác với thành hang động. Cấu trúc này là một hình trụ cao bốn mét và đường kính bốn mét. Nó được xây dựng bằng các lớp chì siêu tinh khiết để chặn bức xạ gamma và polyetylen mật độ cao để giảm hoạt động của neutron.

Ngoài việc hỗ trợ lắp đặt và làm mát thiết bị thí nghiệm, các nhà nghiên cứu từ trường đại học đã phát triển các thuật toán tái tạo và phương pháp phân tích tiên tiến để nhanh chóng xác định các tín hiệu vật chất tối tiềm năng khi quá trình thu thập dữ liệu bắt đầu trong những tháng tới. Nhóm nghiên cứu đóng vai trò hàng đầu trong nỗ lực khoa học này, được hỗ trợ bởi Phó Giáo sư Yan Liu thuộc Trường Vật lý và Thiên văn học, người giữ chức Chủ tịch Nhóm Công tác Phân tích.

Đo lường chính xác dưới lòng đất sâu

SuperCDMS được đặt tại SNOLAB, một cơ sở nghiên cứu nằm sâu khoảng 6.800 feet dưới lòng đất trong một mỏ niken đang hoạt động gần Sudbury, Ontario. Độ sâu này giúp bảo vệ thí nghiệm khỏi tia vũ trụ và các hạt nền khác có thể gây nhiễu các tín hiệu cực yếu mà các nhà khoa học đang cố gắng phát hiện.

Giờ đây, khi nhiệt độ cơ bản đã đạt được, nhóm nghiên cứu sẽ bắt đầu giai đoạn vận hành thử nghiệm máy dò. Giai đoạn này sẽ kéo dài vài tháng và bao gồm việc kích hoạt, hiệu chuẩn và tinh chỉnh từng kênh của máy dò. Ngoài việc tìm kiếm vật chất tối, thí nghiệm này sẽ cho phép các nhà khoa học nghiên cứu các đồng vị hiếm, khám phá các dải năng lượng chưa từng được đo đạc trước đây và có khả năng tiết lộ các loại tương tác hạt mới.