Sâu trong lòng Trái đất, một thí nghiệm vật lý lớn đã làm lạnh thành công hệ thống phát hiện đến gần độ không tuyệt đối, thực hiện một bước quan trọng hướng tới giải quyết một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ, vật chất tối. Thí nghiệm "Tìm kiếm vật chất tối siêu lạnh (SuperCDMS)" nằm trong trục sâu của mỏ niken ở Canada vẫn đang được khai thác gần đây đã chính thức đạt đến nhiệt độ tham chiếu hoạt động và máy dò có độ nhạy cực cao của nó cũng đã "bốc cháy" và bắt đầu quan sát vũ trụ chưa biết.

Nhóm nghiên cứu cho biết nhiệt độ hoạt động của toàn bộ hệ thống chỉ cao hơn độ không tuyệt đối vài phần nghìn độ C, thấp hơn nhiều so với nhiệt độ của không gian sâu. Đây là một trong những thiết bị thí nghiệm lạnh nhất được nhân loại chế tạo cho đến nay. Ở nhiệt độ cực thấp như vậy, nhiễu nền do chuyển động nhiệt bên trong vật liệu gây ra gần như bị "đóng băng" hoàn toàn, mang lại môi trường gần như "im lặng" để thu các tín hiệu hạt cực yếu và cực hiếm. Cột mốc quan trọng này đánh dấu sự chuyển đổi chính thức của SuperCDMS từ giai đoạn xây dựng kéo dài sang giai đoạn vận hành khoa học, cho phép các nhà nghiên cứu khám phá các khu vực của vũ trụ chưa từng được quan sát trực tiếp trước đây.

SuperCDMS nhằm mục đích phát hiện trực tiếp các hạt ứng cử viên vật chất tối, cụ thể là cái gọi là "các hạt lớn tương tác yếu" (WIMP). Các mô hình vũ trụ học hiện nay cho rằng vật chất tối chiếm khoảng 85% tổng hàm lượng vật chất trong vũ trụ nhưng con người chưa bao giờ “nhìn thấy” nó trực tiếp trong phòng thí nghiệm. Sự tồn tại của chúng chỉ có thể được suy ra thông qua tác động hấp dẫn của nó lên chuyển động quay của các thiên hà và cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ. Nếu các hạt vật chất tối tiếp tục di chuyển qua Trái đất, như lý thuyết cho thấy, thì các thí nghiệm như SuperCDMS có thể ghi lại những khoảnh khắc hiếm hoi khi chúng va chạm với mạng nguyên tử của vật chất thông thường.

Trong thiết kế của SuperCDMS, khi một hạt vật chất tối chạm vào các nguyên tử của vật liệu tinh thể trong máy dò, nó sẽ kích thích mạng tinh thể tạo ra các dao động yếu, đồng thời kích thích một số lượng rất nhỏ electron bên trong tinh thể. Hai kênh tín hiệu này có thể được sử dụng cùng nhau để xác định xem liệu một sự kiện va chạm hạt thực sự có xảy ra hay không. Để ngăn chặn tín hiệu cực kỳ yếu này bị lấn át, thí nghiệm không chỉ dựa vào nhiệt độ cực thấp mà còn phải triệt tiêu các "tiếng ồn nền" khác nhau từ môi trường ở mức tối đa.

Nhóm nghiên cứu khoa học đến từ Đại học Minnesota chịu trách nhiệm thiết kế, mua và xây dựng hệ thống che chắn nền thấp nhằm tạo ra một không gian "yên tĩnh" cho máy dò tránh xa sự can thiệp của các hạt thứ cấp phóng xạ tự nhiên và tia vũ trụ nhất có thể. Cấu trúc che chắn là một vỏ hình trụ cao khoảng 4 mét và đường kính 4 mét. Lớp ngoài sử dụng chì có độ tinh khiết cực cao để hấp thụ tia gamma, lớp trong sử dụng vật liệu polyetylen mật độ cao để làm suy yếu dòng neutron bị kích thích bởi tia vũ trụ trong thành hang.

SuperCDMS được đặt tại phòng thí nghiệm ngầm SNOLAB gần Sudbury, Ontario, Canada. Phòng thí nghiệm nằm ở độ sâu khoảng 6.800 feet (khoảng 2,1 km) dưới bề mặt và được chuyển đổi từ một mỏ sản xuất niken. Tấm chắn đá khổng lồ như vậy làm suy yếu đáng kể các sự kiện nền do các tia vũ trụ trên mặt đất gây ra, cho phép máy dò tập trung vào việc thu thập các dấu vết cực kỳ hiếm của các tương tác vật chất tối mà lý thuyết mong đợi.

"Đạt nhiệt độ cơ bản là điểm quan trọng trong nỗ lực kéo dài nhiều năm của chúng tôi nhằm chế tạo thiết bị nền thấp này", Priscilla Cushman, phát ngôn viên của SuperCDMS, giáo sư tại Trường Vật lý và Thiên văn học tại Đại học Minnesota, cho biết. “Trong môi trường nhiệt độ cực thấp như vậy, các máy dò mà chúng tôi lắp đặt cuối cùng có thể bắt đầu quét một không gian tham số mới, nơi các hạt vật chất tối nhẹ nhất có thể ẩn náu.”

Hiện tại, thí nghiệm đã chuyển từ giai đoạn làm mát sang giai đoạn gỡ lỗi máy dò. Quá trình này dự kiến ​​sẽ mất vài tháng, trong thời gian đó các nhà nghiên cứu sẽ kích hoạt, hiệu chỉnh và tinh chỉnh kênh hiệu suất theo từng kênh. Ngoài vật chất tối, SuperCDMS có thể được sử dụng để nghiên cứu hiện tượng phân rã của các đồng vị hiếm, khám phá các vùng năng lượng chưa từng được đo chính xác trước đây và có khả năng tiết lộ các dạng tương tác hạt mới.

Về mặt phân tích dữ liệu, nhóm Đại học Minnesota cũng đã phát triển các thuật toán và phương pháp phân tích tái tạo trường hợp tiên tiến để có thể sàng lọc các tín hiệu ứng cử viên vật chất tối từ các bản ghi lớn càng sớm càng tốt sau khi dữ liệu được thu thập chính thức. Yan Liu, trợ lý giáo sư tại trường vật lý và thiên văn học, giữ vai trò chủ tịch nhóm công tác phân tích và đóng vai trò quan trọng trong sự hợp tác quốc tế tổng thể. Các thành viên trong nhóm cũng bao gồm một số postdoc, nhà nghiên cứu khoa học và nghiên cứu sinh, phụ trách tất cả các khía cạnh từ vận hành thử nghiệm đến xử lý dữ liệu.

Dự án SuperCDMS được đồng tài trợ bởi nhiều cơ quan, bao gồm Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, Quỹ Đổi mới Canada và Hội đồng Nghiên cứu Khoa học Tự nhiên và Kỹ thuật Canada. Nó phản ánh sự đầu tư liên tục của Bắc Mỹ vào việc phát hiện trực tiếp vật chất tối. Khi máy dò được đưa vào quan sát khoa học hoàn toàn trong vài tháng tới, các nhà nghiên cứu hy vọng rằng thiết bị thí nghiệm dưới lòng đất này, “lạnh hơn hàng trăm lần so với không gian bên ngoài”, sẽ tiết lộ bộ mặt thật của vật chất tối cho con người và thậm chí thúc đẩy những thay đổi trong hiểu biết cơ bản của chúng ta về thành phần của vũ trụ.