Trung Quốc giải mã bí ẩn lượng tử 90 năm, mở đường tìm kiếm vật chất tối

Bước đột phá này có thể là chìa khóa giúp nhân loại phát hiện vật chất tối - thứ "keo dính" vô hình đang gắn kết vũ trụ.

Năm 1939, nhà vật lý Liên Xô Arkady Migdal đã đưa ra một giả thuyết táo bạo tại Leningrad. Ông cho rằng khi một hạt trung hòa (như hạt vật chất tối) va chạm với hạt nhân nguyên tử, cú va chạm đó sẽ khiến hạt nhân giật lùi, đồng thời kích hoạt sự giật lùi thứ cấp của các electron, tạo ra một tín hiệu có thể phát hiện được. Tuy nhiên, suốt 87 năm qua, giả thuyết này vẫn nằm trên giấy tờ vì chưa ai có thể chứng minh thực nghiệm.

Mới đây, một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi các nhà khoa học từ Đại học Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (UCAS) đã chấm dứt sự chờ đợi kéo dài gần một thế kỷ đó. Trong bài báo công bố trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature, nhóm nghiên cứu tuyên bố đã quan sát trực tiếp hiệu ứng Migdal bằng các thiết bị tối tân.

Giáo sư Trịnh Dương Hằng (Zheng Yangheng) đến từ UCAS chia sẻ với tờ Science and Technology Daily: "Trong hơn 80 năm, hiệu ứng Migdal trong các va chạm hạt trung hòa chưa bao giờ được xác nhận trực tiếp bằng thực nghiệm". Sự thiếu hụt bằng chứng thực nghiệm này đã gây ra nhiều hoài nghi về các giả định lý thuyết được sử dụng trong các cuộc săn tìm vật chất tối.

Để bắt được khoảnh khắc lịch sử này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một máy dò khí pixel đặc biệt, sử dụng hỗn hợp 40% khí heli và 60% dimethyl ether làm môi trường hình ảnh. Họ dùng máy phát neutron bắn phá hỗn hợp khí này để kích hoạt hiệu ứng Migdal và ghi lại kết quả bằng một chip cảm biến điện tích siêu nhạy. Yêu cầu bắt buộc để xác nhận hiệu ứng là phải quan sát được đồng thời cả hạt nhân giật lùi và electron Migdal.

Sau khoảng 150 giờ thu thập dữ liệu và ghi nhận hơn 100 sự kiện, họ đã lọc ra được 6 sự kiện ứng viên đáp ứng mọi tiêu chuẩn khắt khe. Kết quả đạt độ tin cậy thống kê vượt mức 5 sigma – ngưỡng tiêu chuẩn vàng trong vật lý hạt để khẳng định một phát hiện là chính xác chứ không phải ngẫu nhiên.

Vật chất tối được cho là chiếm tới 27% vũ trụ, trong khi vật chất thường (gồm tất cả các ngôi sao và hành tinh chúng ta nhìn thấy) chỉ chiếm 5%. Phần còn lại là năng lượng tối. Không giống vật chất thường, vật chất tối không phát ra hay phản xạ ánh sáng, khiến nó trở nên vô hình và chỉ có thể nhận biết qua lực hấp dẫn.

Nhóm nghiên cứu khẳng định: "Bằng việc xác thực hiệu ứng Migdal, chúng tôi đã lấp đầy một khoảng trống kéo dài trong hiểu biết khoa học về các tương tác cơ bản và mở ra một phương pháp tiềm năng để phát hiện vật chất tối nhẹ".

Trước đây, các cuộc tìm kiếm vật chất tối thường tập trung vào các hạt có khối lượng lớn nhưng không đem lại kết quả. Xu hướng hiện nay đang chuyển dịch sang các hạt nhẹ hơn, và việc chứng minh được hiệu ứng Migdal chính là tấm bản đồ dẫn đường quan trọng cho hướng đi mới này.