Khi nhìn lên bầu trời đêm,
chúng ta đều choáng ngợp và mê hoặc trước vô vàn đốm sáng lấp lánh:
sao, hành tinh, thiên hà, và cả Mặt Trăng.
Nhưng kể từ khi nhiều thiết bị khoa học ngày càng tiên tiến,
các nhà thiên văn học bắt đầu nghi ngờ
có một thế lực khác ở ngoài đó,
một thứ bí ẩn đang lẩn trốn...
... trong không gian tối tăm.
Chúng ta không thể nhìn thấy,
không thể cảm nhận được,
hay chạm được.
Nhưng nó có tồn tại...
Không hề phát ra ánh sáng, hay phản chiếu.
Đó là một thứ vật chất cực kỳ bí ẩn,
chỉ có một cách để diễn tả về nó:
"VẬT CHẤT TỐI".
Nó có ở khắp nơi,
với lực hấp dẫn ảnh hưởng đến vật thể sáng nhất và lớn nhất
trong không gian.
Nó rất mạnh,
có thể làm thay đổi đường đi của ánh sáng.
Nhắn nhủ cho chúng ta,
rằng có nhiều thứ trong Vũ Trụ này, không nhìn thấy được bằng mắt thường.
Để hiểu được thứ vật chất bí ẩn này,
các nhà vật lý đang săn lùng một hạt rất khó nắm bắt,
tin rằng chúng có tồn tại trong thế giới nhỏ hơn cả hạt nguyên tử.
Đây là CERN, Trung tâm Nghiên cứu Vật lý Hạt châu Âu.
là nhà của chiếc máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới,
có tên là Large Hadron Collider. (Máy Gia tốc Hạt Lớn).
Ẩn sâu dưới lòng đất,
LHC là nơi duy nhất trên Trái Đất đủ mạnh để tạo nên loại hạt bí ẩn này.
Với chu vi 27km, nằm giữa hai nước Pháp và Thụy Sỹ.
Đi vào trong đường hầm gia tốc,
ta sẽ được tận mắt chứng kiến cảnh rượt đuổi nhanh nhất trên Trái Đất.
Tại đây, bên trong chùm ống,
vận tốc của các hạt proton được đẩy lên gần bằng với tốc độ ánh sáng.
Một số hạt sẽ va đập với hạt proton khác đang lao thẳng về phía chúng.
Tất cả chỉ là một phần cho cuộc săn lùng một loại hạt cơ bản mới
tạo nên vật chất tối.
Máy Gia tốc Hạt Lớn đã có nhiều khám phá ấn tượng
quan trọng trong câu chuyện của chúng ta.
Cách đây không lâu,
đã có một màn pháo hoa rực rỡ tại CERN, vào ngày 04 tháng 07,
thời khắc giới khoa học công bố phát hiện một hạt mới,
Hạt Higgs Boson.
Nhiều nhà vật lý đã không ngừng tìm kiếm loại hạt này trong suốt 50 năm,
từ khi các nhà lý thuyết chỉ ra
sự thiết yếu của nó có mặt trong khối lượng của tất cả hạt cơ bản.
Những hạt nhỏ như electron và quark, có được khối lượng khi chúng đi qua Vùng Higgs,
và do đó, có khả năng đây là loại hạt tạo nên vật chất tối.
Hiện tại, Máy Gia tốc Hạt Lớn chuyển hướng sang truy tìm hạt vật chất tối.
Nhiều nhà vật lý thiên văn đã chứng minh
có đến 80% khối lượng trong Vũ Trụ là vật chất tối.
Đây là một câu chuyện kỳ thú,
về sự phát hiện của vật chất có nhiều nhất torng Vũ Trụ,
độc đáo và vô hình.
BÓNG MA CỦA VŨ TRỤ PHANTOM OF THE UNIVERSE.
Vật chất tối xuất hiện quanh quẩn từ khi thời gian bắt đầu...
... từ lúc rất sơ khai.
Vũ Trụ của chúng ta được sinh ra trong sự điên cuồng, nóng và đặc của năng lượng,
dần được mở rộng với tốc độ đáng kinh ngạc.
Trong một khoảng thời gian rất nhỏ,
năng lượng được biến đổi thành các hạt đầu tiên trong Vũ Trụ.
Những hạt quark nhỏ hợp thành proton và neutron.
Chúng kết hợp với electron tạo thành hạt nguyên tử đầu tiên.
Nguyên tử, lần lượt, hợp thành vật chất thông thường,
về sau chúng tạo nên vật thể.
Khi mọi thứ nguội dần và không gian mở rộng,
Khối lượng của vật chất tối hợp lại thành nhiều chuỗi.
Loạt chuỗi trên tạo nên một cấu trúc vô hình trong không gian.
Trong hơn hàng trăm triệu năm,
lực hấp dẫn từ khối lượng của vật chất tối rất mạnh,
kéo khối lượng vật chất thông thường về phía mình,
như phần thịt bao quanh xương sườn...
và tạo thành cấu trúc gân cốt của Vũ Trụ.
Thiên hà đầu tiên phát triển từ nơi giao nhau giữa những sợi này,
Chúng va chạm với thiên hà khác
rồi lại hợp thành nhiều siêu cụm thiên hà khổng lồ.
Vô số thiên hà bị kéo lại với nhau trước sức mạnh của vật chất tối.
Và từ đó, chúng phát triển thành cấu trúc Vũ Trụ chúng ta thấy ngày nay.
Nếu không có vật chất tối,
sẽ chẳng có ngôi sao nào,
không thiên hà,
không có hành tinh, và không sự sống.
Không có vật chất tối, chúng ta không tồn tại.
Vật chất tối lẩn trốn chúng ta trong suốt hàng nghìn năm,
mãi cho đến khi nhiều nhà thiên văn học để ý đến ảnh hưởng từ dấu vết của nó.
Được chú ý lần đầu tiên bởi Fritz Zwicky,
nhà thiên văn học người Thụy Sỹ công tác tại CalTech vào thập niên 1930.
Zwicky sử dụng kính thiên văn quan sát một nhóm thiên hà
cách không xa Thiên hà Milky Way của chúng ta.
Mạng lưới rộng lớn với hơn một nghìn thiên hà này
có tên là Cụm Thiên hà Coma,
và nhiệm vụ của Zwicky, là xác định khối lượng của nó.
Ông có thể làm được việc này bằng cách đo độ sáng của cụm...
...và đo tốc độ của nhiều thiên hà di chuyển bên trong cụm.
Zwicky đã phát hiện đám thiên hà trên di chuyển nhanh hơn dự đoán của ông nhiều.
Đặc biệt từ việc cách rút ra khối lượng của cụm thiên hà thông qua xác định được độ sáng của nó.
Với tốc độ nhanh như vậy,
khối lượng không đủ lớn để giữ cụm thiên hà lại với nhau.
Zwicky đưa ra giả thuyết phải có thứ vật chất vô hình nào đó
đang giữ lấy các thiên hà ở yên trong cụm.
Ông gọi nó là "vật chất tối".
Nhưng ý tưởng trên lại còn quá mới mẻ.
Hầu như không ai chú ý đến phát hiện mới của Zwicky,
mãi đến 40 năm sau,
khi nhà thiên văn học Vera Rubin
bắt đầu nghiên cứu tốc độ quỹ đạo của sao trong thiên hà.
Quan sát trên làm cho bà cảm thấy ngạc nhiên và bối rối.
Theo Định luật Hấp dẫn của Newton,
khối lượng của Mặt Trời có lực hấp dẫn mạnh mẽ
làm cho những hành tinh vòng trong có tốc độ di chuyển nhanh hơn
so với hành tinh ở vòng ngoài.
Vì ngôi sao quay quanh trung tâm thiên hà, tương tự như hành tinh quay quanh Mặt Trời,
nên Rubin cho rằng chúng cũng có kiểu tốc độ tương tự như vậy
khi bà quan sát chúng trong thiên hà Andromeda gần kề.
Nhưng thứ bà thấy được lại hoàn toàn khác.
Ngôi sao có quỹ đạo cách xa trung tâm thiên hà,
đang quay cuồng với tốc độ cao,
tương tự như ngôi sao ở gần vùng trung tâm hơn.
Điều này lại không giống so với tốc độ di chuyển của hành tinh trong Hệ Mặt Trời,
với 4 hành tinh vòng trong di chuyển nhanh hơn so với 4 hành tinh vòng ngoài.
Với tốc độ lớn như vậy,
nếu không có lực hấp dẫn của một vật có khối lượng lớn tương xứng,
ngôi sao sẽ bay loạn xạ và bị ném thẳng ra ngoài không gian.
Thứ nào đó đã giữ chân Thiên hà Andromeda lại...
Đó có thể là gì?
Rubin và đồng nghiệp của bà kết luận phải có một khối lượng kỳ bí, vô hình
trải dài từ phía ngoài rìa thiên hà và ra xa hơn nữa.
Nó như một đám mây vô hình giữ những ngôi sao lại với nhau tựa như một chất keo.
Chúng ta có thể thấy bằng chứng trực quan về quầng vật chất tối này
trong phần khác của Vũ Trụ.
Chúng ta đang quan sát bằng chứng ấn tượng nhất về vật chất tối
trong một cấu trúc thiên thể được đặt tên là "Cụm thiên hà Bullet". (bullet: viên đạn)
Khi các nhà thiên văn học quan sát kỹ lưỡng nhiều thiên hà trong cụm,
họ đã thấy sự biến dạng tinh tế do một thứ vô hình gây ra.
Nghi phạm ư? -Chính là vật chất tối.
Các nhà thiên văn học sử dụng kính thiên văn tia X trong không gian
phát hiện hàm lượng lớn khí nóng liên sao có hình dạng như viên đạn,
do đó mới có tên như vậy.
Cụm thiên hà Bullet được hình thành
từ sự va chạm của hai cụm thiên hà nhỏ hơn.
Nếu chúng ta quay ngược lại thời điểm trước khi vụ va chạm xảy ra,
ta sẽ thấy hai cụm thiên hà riêng biệt,
mỗi cụm được bao bọc trong đám mây vật chất tối của riêng mình.
Khi hai cụm thiên hà va vào nhau, đám mây vật chất tối đi xuyên qua nhau.
Đám mây đặc chứa khí và bụi, thể hiện bằng màu hồng,
đâm vào nhau hướng về phía trung tâm.
Vậy thứ vật chất tối này là gì,
có thể vượt qua một vụ va chạm thiên hà
mà không tương tác với bất kỳ thứ gì?
Một hạt vật chất tối như thế này,
di chuyển trong không gian,
không bị cản đường bởi bất cứ thứ gì.
Vật chất tối không chỉ tồn tại trong không gian;
nó ở khắp mọi nơi...
Ngay lúc này, vật chất tối ở khắp nơi xung quanh chúng ta.
Nếu bạn đưa tay của mình lên,
sẽ có đến hàng triệu hạt vật chất tối xuyên qua mỗi phút.
Nhưng bạn không thể nhìn thấy, hay cảm nhận chúng được.
Thực tế, có hàng tỷ hạt hạ nguyên tử khác nhau di chuyển khắp căn phòng này.
Đây là lối vào Mỏ Homestake ở Nam Dakota.
Điểm đến sau cùng để sàng lọc hạt vật chất tối còn lại ở ngoài.
Để tách biệt hạt vật chất tối,
các nhà vật lý đã tiến hành thí nghiệm sâu dưới lòng đất,
nơi các hạt thông thường không thể đi vào đây,
nhưng hạt vật chất tối thì lại có thể.
Mỗi buổi sáng,
hàng chục nhà khoa học sử dụng chiếc thang máy khổng lồ này,
xuống độ sâu 1500m, tức gần một dặm,
để làm việc với máy dò vật chất tối nhạy nhất thế giới.
Phát hiện của họ trong hệ thống hầm mỏ bỏ hoang này
có thể thay đổi hoàn toàn sự nhìn nhận của chúng ta về Vũ Trụ.
Đây từng là một mỏ vàng trù phú,
nhưng bây giờ thay vì đào vàng,
các nhà vật lý làm việc tại đây đang khai thác một thứ còn khó nắm bắt hơn:
vật chất tối.
Đây là Trung tâm Nghiên cứu Dưới lòng đất Sanford.
nhà của máy dò Xenon Lớn đặt Dưới lòng đất cho việc Thí nghiệm Vật chất Tối,
hay gọi tắt là LUX (Large Underground Xenon).
Chiếc bể chứa đầy xenon lỏng này
sẽ là nơi hoàn hảo chứng kiến sự xuất hiện lần đầu tiên của hạt vật chất tối.
Mồi nhử cho việc dò tìm hạt vật chất tối
sẽ là hạt nhân của nguyên tử xenon.
Khi hạt vật chất tối va vào,
hạt nhân sẽ phát ra tia sáng,...
và giải phóng electron.
Những tương tác này sau đó sẽ được cảm biến ở phía trên và phía dưới của máy dò ghi lại.
Sự tương tác với vật chất tối rất hiếm khi xảy ra,
nhưng các nhà vật lý hy vọng sẽ sớm được chứng kiến.
Ở bên kia địa cầu,
một nhóm nhà vật lý khác đang nghiên cứu tạo ra hạt vật chất tối của riêng họ.
Họ làm việc này ngay đây, tại CERN,
trung tâm nghiên cứu vật lý hạt lớn nhất thế giới,
nằm ở ngoại ô Geneva, Thụy Sĩ.
Tại đây,
hàng nghìn nhà khoa học từ nhiều quốc gia
cùng nhau tìm lời giải cho câu hỏi phức tạp nhất và lâu đời nhất của nhân loại,
về bản chất của vật chất.
Nằm phía dưới khu vực có diện tích 450 mẫu Anh, hay 2km vuông,
và được bao quanh bởi nhiều cánh rừng và trang trại xanh mướt của miền quê châu Âu,
là cỗ máy lớn nhất và phức tạp nhất trên thế giới:
Máy gia tốc Hạt Lớn, còn có tên khác là LHC.
Ở bên trong,
hai chùm ống chứa hạt proton di chuyển ngược chiều nhau xung quanh chiếc vòng
với tốc độ đáng kinh ngạc.
Sau đó chúng va chạm nhau bên trong bốn máy dò khổng lồ.
LHC là một đường đua hạt lớn.
Thay vì dùng nhiên liệu,
các tay đua hạ nguyên tử này
được tăng tốc quanh đường đua bằng điện trường
và được điều khiển bằng nam châm công suất cao.
Chúng được dẫn vào vùng lõi của máy dò để va chạm nhau.
Máy dò lớn nhất có tên là ATLAS.
Nặng 7000 tấn và mất đến 15 năm xây dựng.
Có chiều cao tương đương một tòa nhà 8 tầng,
ATLAS có kích thước bằng cả một thánh đường.
Hơn 3000 nhà khoa học đến từ 175 tổ chức ở 38 quốc gia tham gia vào dự án này,
Về bản chất, ATLAS là chiếc kính hiển vi khổng lồ, nhìn vào thế giới hạ nguyên tử.
Với hàng tỷ proton di chuyển dọc theo hướng đối nghịch nhau,
cảnh tượng như một trận đối đầu nảy lửa, hơn là một cuộc đua.
Khi hai proton va vào nhau, hàng trăm hạt mới khác được hình thành.
Năng lượng cực mạnh từ vụ va chạm có thể tạo ra nhiều hạt có khối lượng lớn hơn
so với hai hạt proton tạo ra chúng.
Đây chính là điều được nhiều nhà vật lý dự đoán sẽ xảy ra
nếu họ tạo ra một hạt vật chất tối với khối lượng lớn.
Mỗi đường đỏ trong vụ va chạm này thể hiện sự có mặt của một hạt mới được tạo ra.
Độ cong của mỗi đường cho chúng ta biết động lượng của mỗi hạt.
ATLAS ghi lại vụ va chạm với một số thiết bị được sắp xếp theo lớp đồng tâm.
Mỗi thiết bị đóng vai trò như một máy ảnh đặc biệt,
được thiết kế để phát hiện và ghi lại nhiều loại hạt khác nhau.
Theo Isaac Newton,
Động lượng từ chuyển động ngược chiều nhau thì ngang bằng nhau,
Những hình vuông màu vàng thể hiện sự phân bố đồng đều của các hạt và động lượng.
Tuy vậy, trong trường hợp của hạt vật chất tối,
sẽ có một khoảng trống,
vị trí hạt bay qua ATLAS mà không tương tác với bất kỳ máy dò phụ nào.
Bằng cách nào một hạt vật chất tối có thể bay qua máy dò hạt nhạy nhất thế giới
mà không để lại một dấu vết?
Có một thuyết đề xuất được gọi là Siêu đối xứng
dự đoán sự tồn tại của một hạt hoạt động chính xác theo cách này.
Theo thuyết trên,
trong mọi hạt đã biết, như electron hoặc quark,
có một siêu hạt tương ứng với khối lượng lớn hơn nhiều.
Như bạn có thể thấy,
sự tương ứng tạo nên một vẻ đẹp đối xứng.
Nhiều nhà vật lý tin rằng một trong những siêu hạt này
được dự đoán có thể là hạt vật chất tối.
Giờ ta chỉ việc đi tìm...
ATLAS chụp ảnh sự kiện va chạm quan trọng nhất với 40 triệu lần mỗi giây.
Dữ liệu từ vụ va chạm được lưu trữ trong một mạng lưới máy tính khổng lồ tại CERN và trên toàn thế giới
có tên là "The Grid".
Chương trình máy tính quét dữ liệu từ "The Grid"
để tìm kiếm mẫu vật có thể phù hợp với profile của hạt vật chất tối.
Có rất ít va chạm được dự kiến sẽ tạo ra hạt vật chất tối,
nhưng nếu có, kiểm tra hết tất cả dữ liệu va chạm là một nhiệm vụ không hề dễ dàng.
Thật may, mục tiêu của khoa học hiện đại là nỗ lực hợp tác đến cùng.
Rất nhiều nhà vật lý trên khắp thế giới
đang làm việc suốt ngày đêm để phân tích dữ liệu.
Một kỹ sư của CERN đã phát minh ra "World Wide Web",
để chia sẻ kiểu thông tin này.
Với nguồn lực sức mạnh trí óc cho việc truy tìm vật chất tối
và khám phá bản chất cơ bản của Vũ Trụ,
ai biết được họ có thể tìm thấy điều gì?
Sau tất cả, những bí ẩn trên lại gắn kết nhân loại đến gần nhau hơn
trong nỗ lực tìm hiểu sự vận động của Vũ Trụ rộng lớn...
...và vị trí của cả chính chúng ta.
Transcribed by ESO; Translated by Thanh Sang Mai.