Một thí nghiệm do sinh viên tiến hành cho thấy việc tìm kiếm vật chất tối không nhất thiết phải dựa vào hạ tầng quy mô lớn.
Trong nghiên cứu công bố trên Tạp chí Vũ trụ học và Vật lý hạt thiên văn (JCAP), một nhóm sinh viên bậc cử nhân tại Đại học Hamburg đã thiết kế và chế tạo một máy dò dạng khoang cộng hưởng nhằm tìm kiếm axion — ứng viên hàng đầu của vật chất tối. Dù nguồn lực hạn chế, nhóm đã thiết lập được các ràng buộc thực nghiệm mới – tức là thu hẹp phạm vi tìm kiếm – đối với đặc tính của axion, qua đó cho thấy các thí nghiệm quy mô nhỏ vẫn có thể đóng góp cho một trong những câu hỏi lớn nhất của vật lý.
Dự án được tài trợ thông qua khoản hỗ trợ nghiên cứu dành cho sinh viên của Đại học Hamburg, thuộc chương trình Hub for Crossdisciplinary Learning, nhằm khuyến khích các nghiên cứu độc lập. Nhóm nghiên cứu cho biết họ nhận được hỗ trợ chuyên môn từ dự án vật chất tối MADMAX — một thí nghiệm tương tự nhưng ở quy mô lớn hơn nhiều.
Các sinh viên đã sử dụng nguồn kinh phí để lắp ráp hệ thống thí nghiệm, bao gồm một khoang cộng hưởng làm từ vật liệu dẫn điện cao, cùng các thiết bị điện tử, dây dẫn và hệ thống đo đạc. Họ cũng tận dụng cơ sở hạ tầng và thiết bị sẵn có của trường và các nhóm hợp tác, thay vì xây dựng toàn bộ từ đầu. Hệ thống sau đó được kiểm tra, hiệu chuẩn và vận hành để thu thập dữ liệu.
Theo nhóm nghiên cứu, thiết kế này là phiên bản đơn giản nhất của máy dò khoang cộng hưởng cho vật chất tối. Dù độ nhạy thấp hơn và chỉ khảo sát trong một phạm vi hẹp, thí nghiệm vẫn tạo ra dữ liệu khoa học mới.
Kết quả không ghi nhận tín hiệu nào của axion, song điều này không được xem là thất bại. Thay vào đó, dữ liệu giúp loại trừ một số khả năng tồn tại của axion trong dải khối lượng đã khảo sát, đặc biệt là những hạt tương tác mạnh hơn với photon. Những ràng buộc này giúp thu hẹp phạm vi tìm kiếm và định hướng cho các thí nghiệm trong tương lai.
Nhóm tác giả nhấn mạnh rằng hiệu suất thí nghiệm thường tỷ lệ với nguồn lực và độ phức tạp, nhưng nghiên cứu của họ chứng minh các thiết lập như vậy có thể được thu nhỏ đáng kể — thậm chí triển khai gần như độc lập bởi sinh viên — mà vẫn tạo ra kết quả có giá trị khoa học.
Trong quá trình phản biện, một chuyên gia cũng nhận định rằng khi axion được phát hiện và các đặc tính của nó được xác định, những thí nghiệm tương tự có thể trở nên phổ biến hơn, thậm chí phù hợp với phòng thí nghiệm giảng dạy. Nhóm nghiên cứu cho rằng công trình của họ phần nào cho thấy khả năng đó đã bắt đầu thành hiện thực.
Vật chất tối là dạng vật chất không phát ra, hấp thụ hay phản xạ ánh sáng, nên không thể quan sát trực tiếp bằng các kính viễn vọng hiện nay. Sự tồn tại của nó được suy ra thông qua tác động hấp dẫn lên các thiên hà và cấu trúc vũ trụ, và được cho là chiếm khoảng 85% tổng lượng vật chất trong vũ trụ. Ảnh: SciTechDaily
Thiết bị thí nghiệm do sinh viên Đại học Hamburg chế tạo và sử dụng. Ảnh: SciTechDaily
Hai sinh viên Salama (trái) và Akgümüs (phải) bên cạnh thiết bị thí nghiệm của họ. Ảnh: SciTechDaily
