Một dặm bên dưới bề mặt Trái đất tại Cơ sở Nghiên cứu Ngầm Sanford ở Nam Dakota, Hoa Kỳ, một điều gì đó thú vị đang diễn ra. Ở đó, các nhà khoa học đang thực hiện một thí nghiệm có tên LUX-ZEPLIN, với mục đích lần đầu tiên phát hiện ra chất ám chỉ được gọi là vật chất tối.
Vật chất tối không thể được quan sát trực tiếp: hiện tại nó thậm chí không thể được phát hiện. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học đã suy ra sự tồn tại của nó bằng cách nó tương tác hấp dẫn với vật chất quan sát được trong Vũ trụ.
Trên thực tế, vật chất quan sát được đó mờ nhạt so với sự phân bố của vật chất tối trong Vũ trụ, vì vậy việc tìm ra chính xác vật chất tối là gì và làm thế nào để phát hiện ra nó là một trong những câu hỏi lớn mà các nhà khoa học đang hy vọng giải đáp trong thời gian tới. năm.
Chúng tôi đã nói chuyện với Tiến sĩ Jaret Heise, Giám đốc Khoa học tại Cơ sở Nghiên cứu Ngầm Sanford, để tìm hiểu chính xác cách thức hoạt động của thí nghiệm LUX-ZEPLIN và nếu nó thành công thì nó có ý nghĩa gì đối với sự hiểu biết của chúng ta về Vũ trụ.
Chúng tôi là một cơ sở nghiên cứu dành riêng cho khoa học dưới lòng đất; thực sự là phòng thí nghiệm sâu nhất dưới lòng đất ở Hoa Kỳ.
Nhiệm vụ của chúng tôi là thúc đẩy khoa học hấp dẫn và biến đổi, và với tư cách là giám đốc khoa học, tôi có thể tương tác với các nhóm quan tâm đến việc cố gắng trả lời những câu hỏi lớn.
Hiện tại, cơ sở của chúng tôi hiện đang hỗ trợ 30 thí nghiệm khác nhau đại diện cho 80 tổ chức và 100 nhà nghiên cứu, vì vậy tôi có thể nói rằng tôi có công việc tốt nhất trong toàn bộ nơi này!
Máy dò vật chất tối LUX-ZEPLIN được xây dựng trên nền tảng của hai thí nghiệm trước đó: thí nghiệm LUX hoạt động tại cơ sở của chúng tôi và thí nghiệm này đã bị tắt vào năm 2016 để nhường chỗ cho bản nâng cấp, LUX-ZEPLIN.
ZEPLIN là một thí nghiệm vật chất tối khác hoạt động ở Vương quốc Anh tại Phòng thí nghiệm ngầm Boulby trong nhiều năm và qua nhiều thế hệ.
Vì vậy, việc kết hợp mã lực trí tuệ của hai hoạt động đó đã dẫn đến thử nghiệm LUX-ZEPLIN được tổ chức tại cơ sở của chúng tôi chỉ cách một dặm dưới lòng đất trong Khuôn viên Davis, được tạo ra vào năm 2012 khi thử nghiệm LUX được chuyển đến để bắt đầu chạy dữ liệu.
Độ sâu của phòng thí nghiệm dưới lòng đất, trong chừng mực ảnh hưởng đến tính chất vật lý của thí nghiệm, thực sự là để sàng lọc các hạt không mong muốn có thể gây ra tiếng ồn xung quanh.
Nếu bạn đang ở trên bề mặt Trái đất và bạn đưa tay ra, bạn sẽ mong đợi có hai hoặc ba hạt muon tia vũ trụ đi qua mỗi giây.
Những hạt muon này được tạo ra bởi các hạt tia vũ trụ tương tác trong bầu khí quyển phía trên, tạo ra một trận mưa hạt muon.
Các muon rất giàu năng lượng và sẽ tạo thành tiếng ồn nền nếu bạn thực hiện một số phép đo thực sự nhạy cảm này để tìm kiếm các quá trình rất hiếm trên bề mặt.
Di chuyển một dặm dưới lòng đất trong trường hợp của chúng tôi sẽ che chắn các hạt nền đó, giảm chúng đi một hệ số khoảng mười triệu.
Vì vậy, thay vì hai hoặc ba trên bề mặt, nếu bạn đi xuống lòng đất trong Khuôn viên Davis, bạn sẽ nhìn thấy một trong những hạt muon tia vũ trụ này mỗi tháng, và nếu bạn là một thí nghiệm vật lý hiếm hoi đang cố gắng trở thành người đầu tiên phát hiện ra bóng tối vấn đề trực tiếp, bạn muốn cho mình mọi lợi thế.
Không có gì đảm bảo rằng thiên nhiên sẽ tử tế như vậy, nhưng bạn không thể thực hiện những thí nghiệm này trên bề mặt theo cách mà chúng được đề xuất.
LUX-ZEPLIN về cơ bản là một thùng lớn chứa đầy xenon. Máy dò LUX trước đó cũng là một thùng xenon lớn; đây là một thùng xenon lớn hơn!
LUX bắt đầu với một phần ba tấn – chỉ hơn 350kg – và LZ sẽ có 10 tấn; vì vậy tăng quy mô khoảng 30 lần.
Cách thức hoạt động của máy dò là xenon vừa nhấp nháy vừa bị ion hóa khi các hạt va chạm với nó, do đó bạn có một chùm ánh sáng ban đầu từ hiện tượng nhấp nháy, sự lắng đọng năng lượng.
Những hạt ban đầu đó có thể là những hạt mà chúng ta đã biết; chúng có thể là hạt beta, chúng có thể là neutron. Đây là những hạt rất quen thuộc với chúng ta.
Chúng cũng có thể là các hạt vật chất tối tương tác rất yếu, có thể chỉ là lực hấp dẫn, nhưng có thể cao hơn một chút trong phổ tương tác nếu chúng cũng tương tác yếu.
Rất nhiều thí nghiệm ngày nay đang tập trung vào hạt khối lượng lớn tương tác yếu, hay WIMP.
Trong trường hợp LZ, với 10 tấn xenon, các nhà khoa học đang tìm kiếm các vụ nổ ánh sáng.
Họ sẽ có các cảm biến ánh sáng, các ống nhân quang ở trên cùng của vùng và ở dưới cùng của vùng kẹp giữa xenon, tìm kiếm các tín hiệu cho thấy một hạt đã tương tác với một hạt xenon.
Dựa trên lượng ánh sáng phát ra trong vụ nổ nhấp nháy ban đầu, so với phép đo ion hóa thứ cấp, họ có thể xác định đó là loại hạt nào.
Họ có thể loại bỏ những thứ chúng ta đã biết và tìm kiếm những thứ chúng ta chưa từng thấy trước đây.
Theo một cách nào đó, đúng vậy. Đó là một quá trình hiểu rất rõ về máy dò.
Trong trường hợp thí nghiệm tại cơ sở của chúng tôi, việc di chuyển một dặm dưới lòng đất và cách xa nền tia vũ trụ đó là rất quan trọng.
Ngoài ra, che chắn khỏi phóng xạ tự nhiên trong phòng thí nghiệm là rất quan trọng. Mọi thứ đều có phóng xạ: bê tông, sơn trên tường, con người, chuối mà mọi người mang đi ăn trưa: mọi thứ đều có một lượng nhỏ phóng xạ.
Thí nghiệm LZ đang lên kế hoạch để tàu titan của họ với mười tấn xenon được ngâm bên trong một bể chắn nước lớn.
LZ đã đổi mới một máy dò bổ sung so với dòng LUX ban đầu. Ở đây, họ sẽ sử dụng thêm một máy nhấp nháy lỏng, và điều đó sẽ giúp họ phát hiện neutron cũng được tạo ra tự nhiên trong phòng thí nghiệm.
Neutron là nền tảng đặc biệt nguy hiểm vì chúng không có điện tích và chúng tương đối nặng. Vì vậy, chúng có thể bắt chước tín hiệu của một hạt vật chất tối khá tốt.
Hiểu được phản ứng của máy dò đối với neutron là rất quan trọng và hiểu được dòng neutron hiện diện cũng cực kỳ quan trọng.
Vì vậy, đó là một quá trình loại bỏ, nhưng nó cũng là để hiểu những thứ mà bạn có thể chạm tay vào một cách tốt nhất có thể: hiểu nền tảng của tất cả các bộ phận và mảnh ghép cấu tạo nên máy dò.
Chúng tôi có bộ đếm nền thấp tại cơ sở của chúng tôi, nơi bạn sẽ đặt các đai ốc và bu lông, cảm biến ánh sáng và các mẫu titan và trong một số trường hợp, tìm ra nhà sản xuất tốt nhất là gì và nhà sản xuất nào sẽ cung cấp cho bạn các thành phần phóng xạ thấp nhất.
Trong một số trường hợp bạn không có lựa chọn và đã lựa chọn rồi, bạn vẫn muốn hiểu lượng phóng xạ nội tại trong bộ phận hoặc mảnh đó để bạn có thể xác định mức độ nền bạn sẽ thấy trong máy dò của mình khi bạn bật nó lên để sau đó bạn có thể tìm kiếm các tín hiệu bên ngoài phạm vi đó.
Vật chất tối là một thành phần rất quan trọng trong Vũ trụ của chúng ta, như chúng ta đã khám phá ra.
Vật chất tối trong Vũ trụ nhiều gấp năm lần so với vật chất bình thường mà chúng ta biết và yêu thích: bàn, ghế, hành tinh, ngôi sao, thiên hà. Tất cả các vật chất bình thường chiếm bốn phần trăm của Vũ trụ.
Chúng tôi đang tìm kiếm thứ gì đó phong phú gấp năm lần.
Nó gần như chắc chắn đã ảnh hưởng đến sự hình thành Thiên hà của chúng ta và nó đóng một vai trò to lớn trong quá trình tiến hóa của Vũ trụ của chúng ta.
Không chỉ vậy, chúng tôi còn có thể đào tạo các nhà khoa học tiếp theo về cách xây dựng vòng máy dò tiếp theo, vì vậy chúng tôi đang đào tạo nhân viên có trình độ để thực hiện các thí nghiệm này.
Đó cũng là một cách tuyệt vời để thu hút công chúng. Nói với họ về những hạt thú vị này chưa ai từng thấy trước đây và bạn thực sự có thể khiến mọi người hào hứng với khoa học.
Vì vậy, nó vận hành toàn bộ từ nghiên cứu cơ bản đến tìm hiểu Vũ trụ của chúng ta và ai biết được chúng ta sẽ có thể làm gì với thông tin sau khi tìm thấy vật chất tối. Có nhiều loại vật chất tối khác nhau không? Ai biết.
Một khi chúng ta phát hiện ra vật chất tối, có lẽ nó sẽ không làm cho máy tính của chúng ta chạy nhanh hơn hoặc cải thiện độ phân giải TV của bạn hoặc những thứ mà mọi người đang nhìn từ quan điểm thực tế, nhưng biết Vũ trụ được tạo ra từ gì sẽ cho chúng ta nhiều đòn bẩy hơn để hiểu những gì chúng ta có thể làm trong tương lai.
Chúng tôi tin rằng nó là. Nếu bạn có một chai nước ngọt 2 lít, có lẽ sẽ có thứ gì đó giống như một hạt vật chất tối trong thể tích đó.
Chúng tôi tin rằng nó phổ biến khắp Thiên hà. Vì nó tương tác hấp dẫn, nên có thể có nhiều hơn nữa ở trung tâm Thiên hà, và có những nhóm – ngoài LZ, đang tìm kiếm chữ ký trực tiếp – đang tìm kiếm chữ ký gián tiếp.
Có thể các hạt vật chất tối sẽ va chạm với nhau, hoặc có thể chúng sẽ phân rã. Một số thiết bị dựa trên vệ tinh đang quan sát trung tâm của Thiên hà vì chúng hy vọng sẽ có mật độ vật chất tối cao hơn trong khu vực đó. Nhưng vâng, chúng tôi tin rằng nó ở xung quanh chúng ta.
Tôi nghĩ bạn có thể có một biểu diễn trực quan, nhưng tôi không biết rằng chúng ta có bao giờ nhìn thấy vật chất tối một cách trực tiếp, giống như cách mà chúng ta không thể nhìn thấy trực tiếp một số hạt nhẹ nhất mà chúng ta biết ngày nay.
Neutrino sẽ là một ví dụ điển hình. Chúng ta nhìn thấy chúng một cách gián tiếp nhờ cách chúng tương tác với vật chất khác, liệu chúng có va chạm với các hạt tích điện khác và tạo ra ánh sáng mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng dụng cụ hay không.
Thường thì chúng ta chỉ gián tiếp nhìn thấy những tín hiệu tương tác yếu hiếm gặp này, nhưng điều đó không có nghĩa là chúng ta không thể biểu diễn chúng theo một cách nào đó và có đồ họa cho thấy nồng độ vật chất tối trông như thế nào trong Thiên hà của chúng ta dựa trên các mô hình nhất định.
Vậy là chúng ta có khả năng đó, nhưng lại thực sự tận mắt nhìn thấy một hạt vật chất tối? Tôi hoài nghi về điều đó!
Việc tìm kiếm vật chất tối có nhiều khía cạnh, kết hợp nỗ lực của các nhà khoa học dưới lòng đất như chúng ta có tại Phòng thí nghiệm Sanford, các nhà khoa học máy gia tốc cũng như vệ tinh.
Tất cả chúng ta đều bổ sung cho nhau trong cuộc tìm kiếm đó. Các nhà khoa học máy gia tốc đang cố gắng tái tạo một hạt ứng cử viên có thể là một hạt nặng tương tác yếu.
Các vệ tinh đang tìm kiếm các tín hiệu gián tiếp về sự hủy diệt hoặc phân rã WIMP của các hạt vật chất tối.
Vì vậy, chúng tôi đã ở trong không gian và chúng tôi đã chế tạo một số cỗ máy lớn nhất mà con người từng chế tạo, nhằm tìm kiếm vật chất tối theo mọi cách mà chúng tôi có thể nghĩ ra.
Nếu tiền không phải là đối tượng của khoa học ngầm, có lẽ chúng ta sẽ xây dựng một phiên bản lớn hơn!
Nhưng phải nói rằng, chúng tôi đã bắt đầu với loạt thử nghiệm hiện tại. Độ nhạy của những dụng cụ này tinh tế đến mức việc tìm kiếm vật chất tối giờ đây sẽ bị che mờ ở một mức độ nhất định bởi neutrino đến từ Mặt trời của chúng ta.
Đó là một câu chuyện thực sự thú vị tại cơ sở của chúng tôi bởi vì một số phép đo đầu tiên về neutrino đến từ Mặt trời của chúng ta đã được Ray Davis thực hiện tại Lead, Nam Dakota, bắt đầu từ những năm 1960, khi ông thuyết phục Công ty khai thác Homestake đào một cái hố lớn và giúp anh ta cài đặt một máy dò cho mục đích đó.
Anh ta có dung dịch giặt khô trị giá 100.000 gallon để tìm kiếm sự tương tác của neutrino trong nhiều thập kỷ.
Giờ đây, chính những hạt neutrino đó đến từ Mặt trời là nền tảng cho việc tìm kiếm các hạt khác.
Điều đó không có nghĩa là chúng ta không thể tiếp tục tìm kiếm vật chất tối bằng một thiết bị lớn hơn, nhưng việc đi sâu hơn sẽ không sàng lọc được neutrino.
Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là phiên bản tiếp theo, với quy mô lớn hơn thử nghiệm LZ, sẽ không sinh lãi.
Sự hợp tác đang lắp ráp nhạc cụ. Chúng tôi có các phòng sạch trong cơ sở bề mặt của mình và các bộ phận bên trong của máy dò đã được lắp ráp lại với nhau, lắp vào bình chứa bên trong bằng titan.
Chúng tôi hy vọng có thể vận chuyển thiết bị đó dưới lòng đất vào khoảng tháng 10 năm 2019 và thiết bị sẽ được lắp đặt trong bể chắn nước lớn đó.
Sẽ có một quy trình để kiểm tra và đảm bảo mọi thứ đang hoạt động.
Họ hy vọng sẽ bắt đầu thu thập dữ liệu vật lý vào năm 2020.
kết quả đầu tiên; Tôi không muốn phát biểu về sự hợp tác nhưng chúng tôi hy vọng sẽ có kết quả đầu tiên trong vòng một năm kể từ khi bật thiết bị này lên, vì vậy có thể vào một thời điểm nào đó trong năm 2021, chúng tôi sẽ mong đợi kết quả vật chất tối mới nhất và tốt nhất, cho dù đó có phải là sự xác nhận hay không của tín hiệu hoặc đẩy ranh giới về độ nhạy của các thiết bị tìm kiếm vật chất tối.