Các nhà khoa học đưa máy dò xuống độ sâu hơn 1 km
Ở độ sâu khoảng 1.024 m dưới bề mặt Trái Đất, các nhà khoa học Úc đang chuẩn bị vận hành một hệ thống dò tìm vật chất tối trong Phòng thí nghiệm Vật lý ngầm Stawell (SUPL), nằm bên trong mỏ vàng Stawell, bang Victoria.
Theo nghiên cứu công bố ngày 2/4/2026 trên tạp chí Astroparticle Physics của Trung tâm Xuất sắc về Vật lý Hạt Vật chất Tối (Úc), môi trường dưới lòng đất tại đây có mức bức xạ vũ trụ đủ thấp để triển khai các thí nghiệm có độ nhạy rất cao.
Trong một năm quan sát, hệ thống ghi nhận khoảng 30.000 hạt muon (hạt hạ nguyên tử cơ bản thuộc nhóm lepton, nặng hơn electron 200 lần). Trong khi trên bề mặt Trái Đất, số lượng hạt muon ước tính lên tới khoảng 8,4 tỷ trong cùng khoảng thời gian. Điều này cho thấy cường độ muon trong phòng thí nghiệm thấp hơn khoảng 280.000 lần so với trên mặt đất.
Khu vực mỏ vàng Stawell, nơi đặt phòng thí nghiệm ngầm.
Bên cạnh lớp đá tự nhiên, hệ thống còn được bảo vệ bởi 120 tấn thép cùng 12.000 lít chất lỏng phát quang.
Những vật liệu này không thay thế vai trò của độ sâu mà giúp nhận diện, loại bỏ các tín hiệu do bức xạ còn sót lại tạo ra, tránh nhầm lẫn với các tín hiệu rất hiếm được kỳ vọng từ vật chất tối.
Để đo dòng muon, nhóm nghiên cứu sử dụng tám tấm nhựa phát quang. Khi một hạt muon đi qua, vật liệu phát ra một xung ánh sáng nhỏ, sau đó được các cảm biến ở hai đầu chuyển thành tín hiệu điện để phân tích.
Trong thời gian nghiên cứu, hai bộ máy dò ghi nhận gần 30.000 sự kiện muon, tương ứng với thông lượng 6,33 × 10⁻⁸ hạt/giây/cm².
"Cái bẫy" dành cho vật chất tối
Trung tâm của dự án là thí nghiệm SABRE South, sử dụng các tinh thể natri iodua siêu tinh khiết làm môi trường phát hiện tín hiệu.
Các nhà khoa học kỳ vọng nếu một hạt vật chất tối đi qua tinh thể, nó sẽ tạo ra một tín hiệu ánh sáng rất nhỏ có thể đo được.
Bao quanh các tinh thể là bể chứa 12.000 lít chất lỏng phát quang. Nếu ánh sáng xuất hiện đồng thời trong tinh thể và chất lỏng, sự kiện đó nhiều khả năng bắt nguồn từ bức xạ thông thường thay vì vật chất tối và sẽ bị loại khỏi dữ liệu.
Phía trên hệ thống là tám mô-đun dò muon tạo thành cơ chế "phủ quyết muon" (muon veto). Khi phát hiện một hạt muon đi qua, hệ thống sẽ đánh dấu và loại bỏ các tín hiệu liên quan trong quá trình xử lý dữ liệu.
Ngoài ra, bể chất lỏng còn được trang bị 18 ống nhân quang để ghi nhận các xung ánh sáng cực nhỏ phát sinh trong quá trình thí nghiệm.
Thiết bị nghiên cứu bên trong phòng thí nhiệm.
Vì sao phải đặt phòng thí nghiệm dưới lòng đất?
Vật chất tối đến nay vẫn chưa được quan sát trực tiếp. Sự tồn tại của nó được suy luận từ ảnh hưởng hấp dẫn đối với sự chuyển động của các ngôi sao, thiên hà và cụm thiên hà.
Theo ước tính của Trung tâm Xuất sắc về Vật lý Hạt Vật chất Tối, vật chất tối chiếm khoảng 85% tổng lượng vật chất trong Vũ trụ, nhưng gần như không tương tác với ánh sáng.
SABRE South sẽ tìm kiếm một nhóm hạt giả định gọi là WIMP (Weakly Interacting Massive Particles - hạt khối lượng lớn tương tác yếu). Nếu tồn tại, chúng có thể xuyên qua lượng lớn vật chất mà hầu như không để lại dấu vết, chỉ thỉnh thoảng va chạm với các tinh thể trong máy dò.
Chính vì tín hiệu được dự đoán rất hiếm, thiết bị phải hoạt động trong môi trường gần như tách biệt khỏi bức xạ vũ trụ để hạn chế tối đa các tín hiệu giả.
Một mục tiêu quan trọng của SABRE South là kiểm chứng kết quả của thí nghiệm DAMA/LIBRA tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Gran Sasso (Italy).
Trong gần ba thập kỷ, DAMA/LIBRA ghi nhận sự dao động theo chu kỳ hằng năm của số lượng tín hiệu và cho rằng hiện tượng này có thể liên quan đến chuyển động của Trái Đất qua vùng tập trung vật chất tối trong Dải Ngân hà.
Tuy nhiên, cách giải thích này vẫn chưa được các nhóm nghiên cứu khác xác nhận. Một số nhà khoa học cho rằng sự dao động có thể chỉ phản ánh các yếu tố môi trường theo mùa như nhiệt độ, độ ẩm hoặc biến đổi của các nguồn bức xạ tự nhiên.
Do nằm ở bán cầu Nam, nơi các mùa diễn ra ngược với bán cầu Bắc, SABRE South có thể giúp phân biệt hai khả năng này. Nếu tín hiệu xuất phát từ điều kiện khí hậu, chu kỳ sẽ thay đổi theo mùa địa phương; ngược lại, nếu liên quan đến chuyển động của Trái Đất trong thiên hà, thời điểm xuất hiện tín hiệu sẽ giống với kết quả tại Italy.
Bên trong phòng thí nhiệm.
Bước đầu xác nhận điều kiện lý tưởng cho thí nghiệm
Việc đo dòng muon là kết quả khoa học đầu tiên được công bố từ SUPL. Nhóm nghiên cứu cũng xây dựng các mô phỏng dựa trên cấu trúc đường hầm và địa chất của mỏ. Theo giáo sư Phillip Urquijo (Đại học Melbourne), các số liệu thực tế phù hợp với kết quả mô phỏng, giúp nhóm nghiên cứu ước tính chính xác hơn mức nhiễu nền khi SABRE South đi vào hoạt động.
Các thông số đo được cũng tương đồng với những phòng thí nghiệm ngầm nổi tiếng như Boulby (Anh) và Gran Sasso (Italy), cho thấy cơ sở tại Úc đáp ứng các điều kiện cần thiết cho nghiên cứu vật lý hạt hiếm.
Nhà nghiên cứu Federico Scutti (Đại học Công nghệ Swinburne) cho biết hệ thống phủ quyết muon đã hoạt động đúng như thiết kế khi nhận diện chính xác các hạt muon đi qua.
Trong khi đó, Giám đốc điều hành SUPL Kim Mintern-Lane đánh giá kết quả này chứng minh phòng thí nghiệm không chỉ hoàn thành xây dựng mà còn sẵn sàng cho các nghiên cứu khoa học.
Theo kế hoạch, SABRE South sẽ bắt đầu thu thập dữ liệu trong năm 2026, dù thời điểm vận hành chính thức chưa được công bố. Nghiên cứu có sự tham gia của các nhà khoa học đến từ Đại học Quốc gia Úc, Đại học Melbourne, Đại học Công nghệ Swinburne, Đại học Adelaide và Đại học Sydney. Dữ liệu muon được phân tích bởi nghiên cứu sinh tiến sĩ Guangyong Fu (Đại học Melbourne).
Đức Minh
