Một tia sáng trong bóng đêm ? ( Edwin Cartlidge ) doc

88 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay Mt tia sáng trong bóng đêm ? Edwin Cartlidge Trong 10 năm qua, các nhà vật lí ở Italy đã và đang khẳng định họ đã phát hiện trực tiếp được vật chất tối, đối tượng được tin là chiếm tới 23% của toàn vũ trụ. Edwin Cartlidge sẽ chỉ ra tại sao kết quả của họ lại tiếp tục gây tranh cãi. ếu con có thể sinh ra để lắng nghe sự thật mà con đã nói Bị thêu dệt bởi những kẻ bất lương để làm trò hề cho thiên hạ, … thì con sẽ là một người đàn ông đích thực, hỡi con trai của ta! Tht him khi thơ ca i vào mt bài tiu lun khoa hc hin i, nhưng trích dn  trên ly t bài thơ “ếu…” ca Rudyard Kipling gây s chú ý ca khách n trang ch ca DAMA, mt nhóm nhà săn tìm vt cht ti  Italy. Mc dù các nhà vt lí trong nhóm không phát biu dt khoát bài thơ ám ch ti cái gì, nhưng hàm ý ca nó dưng như ã khá rõ ràng. Trích dn trên là mt s tr ming hùng bin i vi nhng ngưi phê bình ca h (“nhng k bt lương”), nhng ngưi trong 10 năm qua ã không b thuyt phc bi khng nh ca các nhà nghiên cu này rng h ã thc hin ưc quan sát trc tip u tiên t trưc n nay v các ht vt cht ti (“s tht”). Bài thơ minh ha cho s khc lit him thy ca cuc tranh lun xung quanh khng nh ca h. 89 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay DAMA là mt chương trình hp tác ca các nhà vt lí n t trưng i hc Rome “Tor Vergata”, trưng i hc Rome “La Sapienza”, Vin Vt lí Ht nhân Quc gia Italy, và Vin Vt lí Năng lưng cao  Bc Kinh, Trung Hoa. Dưi s ch o ca Rita Bernabei thuc Tor Vergata, nhóm nghiên cu iu hành mt c máy dò ht sodium-iodide chôn sâu 1400m bên dưi ngn núi Gran Sasso  min trung Italy. H nói h ã quan sát ưc mt s bin thiên theo mùa trong tín hiu ly t máy dò ht gây ra bi các ht vt cht ti tương tác vi sodium-iodide. Nu như iu ó úng, thì các nhà vt lí s v ưc cơ s vũ tr hc và cơ s vt lí ht. Tín hiu DAMA là mt iu bin dng sin t cc i vào u tháng 6 và i qua cc tiu vào u tháng 12 – mt tín hiu mà nhóm nghiên cu xem là ưc gây ra bi chuyn ng ca Trái t qua “qung” vt cht ti bao quanh Di Ngân hà. Cơ s phân tích là Trái t i qua qung hào quang (ưc cho là tĩnh ti) khi Mt tri quay xung quanh tâm thiên hà vi vn tc chng 230 km.s -1 . Vì hành tinh ca chúng ta chuyn ng “vi” Mt tri vào tháng 6 và “ngưc” li Mt tri vào tháng 12, cho nên vn tc riêng tương i ca nó i vi qung vt cht ti s t cc i và cc tiu ti nhng thi im tương ng này. S bin thiên này khi ó t trình hin là mt bin thiên thưng niên  tc  ca các ht vt cht ti i qua máy dò ht DAMA – mt cơn gió vt cht ti. Ít nht thì ây cũng là cách mà các nhà nghiên cu DAMA lí gii các kt qu. Nhóm nghiên cu thot u ưa ra khng nh ca h vào năm 1998, vi mt thí nghim gi tên là DAMA/NaI s dng 100 kg cht dò ht. H lp li khng nh ca mình vào năm 2000 và 2003 sau khi ã thu thp thêm d liu. Sau ó, ti mt hi ngh  Venice hi tháng 4 năm nay, nhóm nghiên cu ã công b các kt qu tiêu tn ht 4 năm t thí nghim DAMA/LIBRA (Large Sodium Iodide Bulk for Rare Processes) nâng cp ca mình, b sung thêm 150 kg sodium iodide vào thit b. Nhóm nghiên cu vn gi quan im rng, s dng d liu kt hp t hai thí nghim ó, “s có mt ca các ht vt cht ti trong qung hào quang thiên hà ưc cng c  mc  tin cy 8,2  lch chuNn”, tương ương vi mt cơ hi chưa ti 1 trong 4 x 10 15 là kt qu ó là mt s may mn thng kê (arXiv:0804.2741). Vic nhóm DAMA ã nhìn thy mt s iu bin thưng niên trong tín hiu ca mình ngày nay ưc tha nhn rng rãi bi các nhà nghiên cu trong lĩnh vc ó, nhng ngưi trưc ây nghi ng rng thí nghim ban u ca nhóm ã thu thp  d liu  cho thy iu này. Tuy nhiên, các nhà nghiên cu DAMA vn bt ng vi các nhà nghiên cu khác v cái ang gây ra s iu bin. S bt ng ưc ni li tt nht bi Juan Collar n t trưng i hc Chicago, ngưi phát ngôn cho thí nghim vt cht ti COUPP (Chicagoland Observatory for Underground Particle Physics) ti Fermilb  Mĩ. Vit blog cho Cosmic Variance, ông vit rng “Có bng chng cho mt s iu bin trong d liu  8,2 sigma, dng. Có th so sánh vi cái ưc trông i t mt s ht vt cht ti trong mt s mô hình qung thiên hà, dng hoàn toàn. Bt c th gì nm ngoài iu này u ang mun tin, và nó bêu xu nhng ngưi còn li ca chúng ta trong lĩnh vc ó. Tt nhiên… không có quá trình nào khác quan sát thy trong t nhiên t cc i vào mùa hè và i qua im thp nht vào mùa ông, nên ây phi là vt cht ti, úng không ? (Occam ang xoay lt m m ca mình, cái dao hen r vn cm trong tay…)”. áp li nhng ch trích như th, Bernabei vn gi tính cng rn ca khng nh ca nhóm nghiên cu ca bà. “Tôi không tin v mt lô gic các kt qu ca chúng tôi có hàm ý gì khác ngoài du hiu vt cht ti”, bà nói. “Chúng tôi ã và ang kho sát iu này trong mt thp k, và trong thi gian ó không ai i n mt li gii thích nào khác”. 90 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay Săn lùng vật chất tối Trong mô hình vũ tr hc hin nay, s tn ti ca vt cht ti ưc suy lun ra gián tip t các tác dng hp dn ca nó. Các ht không phát ra bc x in t (vì th “ti”) và, như tt c chúng ta u bit, chúng không th có bt kì phương tin tương tác nào khác na. Tuy nhiên, mt s lí thuyt ngoài khuôn kh Mô hình chuNn ca ngành vt lí ht tiên oán mt s ng c viên kh dĩ cho vt cht ti, như các axion, các neutrino vô sinh hay các WIMP (các ht nng tương tác yu), có kh năng tương tác qua lc ht nhân yu. a s thí nghim vt cht ti ang trin khai trên thc t ưc iu chnh  tìm bng chng trc tip cho các WIMP, chúng là ng c viên ưc chp nhn nhiu nht trong s các nhà lí thuyt. Theo các lí thuyt ó, mt máy dò vt cht ti chuNn s không bao gi quan sát thy nhiu hơn mt nhúm va chm WIMP mi năm, cho dù hàng nghìn t ht vt cht ti ưc ngưi ta cho là ang xuyên qua Trái t trong mi giây.  ci thin các bt hòa gia h, các nhà vt lí do ó phi thit k các máy dò vt cht ti vi khi lưng dò càng ln càng tt. H còn cn phi che chn nó khi s nhiu vi kh năng tt nht h có th làm,  cho nó không làm ngp tràn nhng tín hiu nh xíu thu thp ưc. Bn thân cht liu máy dò ht, v bc xung quanh và phn còn li ca phòng thí nghim, tt c phi có mc  phóng x cc kì thp. Hơn na, phòng thí nghim phi ưc t sâu dưi lòng t sao cho s nhiu do các tia vũ tr ưc gi n mt giá tr tuyt i ti thiu (1 km á ph làm gim thông lưng tia vũ tr i khong 1 triu ln), và các máy dò ht phi t bên trong mt v bc ch to bng chì hay các cht thích hp khác. Thí nghim DAMA/LIBRA t trong bn phòng ca mt tòa nhà nh bên trong mt trong các ưng hm ti Phòng thí nghim quc gia Gran Sasso, nm sâu 120 km bên dưi ngn Apennines  hưng ông bc Rome. 25 khi sodium iodide to thành lõi ca nó và ưc theo dõi bng mt lot ng nhân quang (hình bên trái và hình gia) và ưc bo v tránh s nhiu nn bng mt s rào chn. Các máy dò ưc gi trong bu không khí nitrogen tinh khit cao và t bên trong mt v bc ng/chì, và ưc cách li thêm khi bên ngoài bng mt lp paraffin. Các thit b in t, in toán, mt hp găng tay dùng cho thc hin các phép o nh c cùng vi  loi mu thit b khác cũng ưc t bên trong thí nghim (hình bên phi). Tòa nhà sau ó hu như hoàn toàn óng kín bi mt lp bên tông dày 1 m. Tuy nhiên, trong khi xây dng nhng thí nghim này, có mt s tha hip  s lưng d liu có th thu thp và mc  mà bc x nn có th b lc ra. a s các thí nghim vt cht ti tp trung vào khng ch yu t th hai  trên, và trong s này có CDMS  qung m Soudan  Minnesota, EDELWEISS  Phòng thí nghim dưi lòng t Modane bên dưi ngn Apls Pháp- Italy, ZEPLIN  qung m Boulby  ông bc nưc Anh, và CRESST, cũng  ti Gran Sasso. Các tinh th dùng trong nhng máy dò ht này cho phép các thí nghim phân bit gia hai loi s kin rch ròi: mt ht vt cht ti va chm vi ht nhân trong cht dò ht; và các tín hiu 91 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay nn – như tia gamma hay electron – va chm vi các electron ca tinh th. CDMS, chng hn, gm các chng ĩa silicon và germanium ưc làm lnh ti ch mt phn ca mt  trên  không tuyt i, và nó o ưc năng lưng dao ng  li bi mt va chm trong mng tinh th cũng như lưng ion hóa phát sinh trong các nguyên t lân cn bi mt ht ny tr li. i vi mt năng lưng  li cho trưc, mc  ion hóa trong germanium hay silicon khác i áng k tùy thuc vào năng lưng này gây ra bi electron hay ht nhân bt tr li, cho phép các nhà nghiên cu CDMS phân bit gia hai loi s kin này. DAMA có mt cách tip cn khác, và c nht vô nh. Nó o ánh sáng phóng thích khi các ht vt cht ti gi nh va chm vi ht nhân bên trong sodium iodide và kích thích các electron láng ging rơi tr xung mt trng thái năng lưng bn. T nó, quá trình “nhp nháy” này không th dùng  phân bit gia nhng s ny tr li ca electron và ht nhân, khin nó khó mà nhn din rõ ràng các du hiu vt cht ti. Thun li ln ca DAMA so vi các thí nghim khác là sodium iodide có th nuôi cy  to ra nhng tinh th rt ln. Khi lưng 250 kg ca máy dò DAMA/LIBRA è bp hn khi lưng 4 kg ca máy dò CDMS. Cho nên, trong khi CDMS lc ra tt c tia gamma, electron và neutron, và mi ây ã hot ng sut 100 ngày d liu mà không ghi nhn ưc mt s kin riêng l nào, thì DAMA/LIBRA ã thu thp ưc hơn 800.000 s kin (ch yu là nhiu nn) trong bn năm. Dung lưng ln hơn nhiu này ca d liu cho phép các nhà nghiên cu tìm kim mt du hiu iu bin thưng niên, nó là mt s bin thiên ch mt vài phn trăm trong tín hiu tng th. Tách li vật chất tối khỏi mớ lộn xộn  chng minh rng s iu bin không gây ra bi mt ngun nhiu nn, các nhà nghiên cu DAMA ã tin hành mt s phân tích. H ã ch ra ưc rng s iu bin xy ra  năng lưng gia 2 và 6 keV, trong khi không có s iu bin nào gia 6 và 14 keV, mt du hiu cũng s ưc trông i nu như nguyên nhân là bc x nn. Mt mu bng chng quan trng khác là s iu bin ch nhìn thy trong các s kin “va chm ơn” (nhng s kin trong ó mt trong s 25 b phn riêng l ca máy dò ht phát ra mt lóe sáng trong mt ng nhân quang) và không có mt trong nhng s kin va chm bi. Các ht vt cht ti không th làm phát sinh va chm bi vì cơ hi cho chúng tương tác vi bt kì ht nào cho trưc trong máy dò là quá nh. Các nhà nghiên cu cũng tìm thy không có s bin thiên thưng niên áng k trong mt s thông s thc nghim nht nh có kh năng nhi li du hiu vt cht ti, bao gm nhit  và nng  khí radon bên trong thit b thí nghim. Ngoài ra, s dng d liu v thông lưng tia vũ tr i n phòng thí nghim thu ưc bi thí nghim MACRO láng ging (mt thông lưng ưc bit là thay i thưng niên theo nhit  ca bu khí quyn), các nhà nghiên cu cũng ch ra ưc rng s bin thiên  thông lưng muon là quá nh  gii thích cho s iu bin trong d liu vt cht ti ca h. Nhưng các nhà nghiên cu khác trong lĩnh vc ó không b thuyt phc. Richard Gaitskell  trưng i hc Brown ti Rhode Island, Mĩ, ngưi ã tham gia trong mt vài cuc tìm kim vt cht ti, ch ra rng có th có nhiu ngun nhiu nn khác mà các nhà nghiên cu DAMA chưa nghĩ ti có chu kì mt năm, có cc i vào tháng 6 và cc tiu vào tháng 12. “Cho dù anh loi tr ưc 50 ngun trên mt t, thì ai bo anh rng anh ã loi tr ưc ht chúng ra. Có th có ti 100 ngun. Vn  là có quá nhiu th bin thiên thưng niên”, ông nói. Mc dù không có ngun nn ã bit nào to ra kt qu này, nhưng Gaitskell cho rng cách duy nht  loi b nghi vn 92 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay này là cung cp c th hơn na các tín hiu trong các phn khác nhau ca máy dò, chúng phi rt ging nhau nu tín hiu là vt cht ti, nhưng s khác nhau nu th phm thay vì là mt ngun nn trên mt t. Quan im ca Gaitskell v các nhiu nn và s phân loi có th có ưc chia s bi Collar, ngưi ch ra rng d liu năng lưng thp nht – gia 1 và 2 keV – có th b nhim bi nhiu t các ng nhân quang. Ông gi quan im rng nu như nhiu này b iu bin, thì nó s “xâm chim” trong chng mc nào ó các năng lưng cao hơn và do ó tái to li tín hiu vt cht ti. Như vy, ông mun thích nhìn thy  th d liu m rng xung ti 1-2 keV. “Ngưi ta ang yêu cu phân tích d liu này trong các năm”, ông nói. “Thc t [các nhà nghiên cu DAMA] ã không áp ng yêu cu này và nhng yêu cu khác v các phân tích d liu c bit hưng ti bu tri cao”.  tìm kim mt s iu bin thưng niên trong tín hiu ca h, nó có th là mt du hiu ca vt cht ti, các nhà nghiên cu DAMA m s lưn s kin ghi nn trong thí nghim ca h trong mt ơn v thi gian, khi lưng và năng lưng, và sau ó v  th s lưng này theo thi gian. Các nhà nghiên cu ã thc hin công vic này trong ba ngưng năng lưng thp khác nhau (ngưng 2-6 keV ưc th hin trong hình trên) – các loi năng lưng mà các ht vt cht ti ưc trông i là có – và trong tng trưng hp tìm thy s bin thiên trong các va chm là mt s phù hp cc kì tt vi ưng cong dng sin vi chu kì mt năm, có mt cc i vào tháng 6 và mt cc tiu vào tháng 12. úng như mong i, giá tr 0,53 “tn-năm” ca d liu thu thp bng DAMA/LIBRA t 2003 n 2007 có s phù hp còn mnh m hơn na so vi 0,29 tn-năm yêu cu t 1995 n 2002 vi máy dò DAMA/NaI nh hơn. Collar cũng ngc nhiên thy nhóm DAMA chưa công b d liu v bt kì s bin thiên “ngày êm” có th có trong d liu ca h, nói cách khác là nhng bin thiên hàng ngày nh xíu  s lưng các ht vt cht ti i ti máy dò ht do chuyn ng quay ca Trái t. Mc dù là mt hiu ng rt tinh vi, nhưng ông tin rng các nhà nghiên cu DAMA lúc này ã thu thp  d liu  tìm kim nó. “Có l h ã nhìn thy th gì ó xác nhn iu này và ang ch có thêm d liu na”, ông thêm. “Hoc có l h ã chng nhìn thy th gì và ang hi vng nó s trình hin”. Tht vy, Collar khng nh s do d ca nhóm DAMA trưc vic tit l d liu ó là mt biu hin ca s thiu lòng rng lưng chung trong b phn các nhà nghiên cu gc Italy. Bernabei gi quan im rng tt c các bình phNm và  xut nghiêm túc ã ưc t ra trưc mt bi các nhà nghiên cu vt cht ti khác ã ưc x lí, nhưng Collar không tán thành. “Nu anh khng nh cái gì ó ging như cái h có, thì anh s b soi mói. Cách ây năm năm, ngưi ta ã 93 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay bt u nêu ra nhng câu hi nhưng [các nhà nghiên cu DAMA] im hơi lng ting. S kín áo ó vn không thay i”, ông nói. Dữ liệu mâu thuẫn Ti gc r ca thái  hoài nghi hưng v khng nh ca nhóm DAMA là thc t các kt qu ó dưng như mâu thun vi kt qu ca nhng thí nghim khác. Không phi ch các thí nghim khác t trưc n nay không h phát hin ra vt cht ti, mà mc  nhy h thu ưc cho thy DAMA không th nào làm ưc iu ó. D liu CDMS thu thp t trưc n nay cho thy “tit din WIMP-nucleon” – i vi các WIMP có khi lưng trong vùng khong 60 GeV/c 2 phi dưi 6 x 10 -8 picobarn. (Mt barn là ơn v chuNn  th hin tit din trong ngành vt lí năng lưng cao, nó tương ương vi tit din ca mt ht nhân uranium, tc là vào c 10 -28 m 2 ). Tuy nhiên, phân tích mà nhóm DAMA công b hi năm 2003 phù hp vi các WIMP có tit din 7 × 10 –6 picobarn: nói cách khác, mt giá tr ít nht là cao gp 100 ln gii hn CDMS. Ngoài ra, chương trình hp tác XENON ti Gran Sasso và chương trình hp tác CoGENT, do Collar ch o, khng nh các thí nghim ca h chng t rng thí nghim DAMA không th nào quan sát thy các WIMP vi khi lưng thp hơn. iu này ưc cng b bi mt báo cáo hi tháng trưc t nhóm ca Collar. Nhưng thc t các kt qu DAMA mâu thun rõ ràng vi các kt qu vô hiu t nhng thí nghim vt cht ti khác là mt s mâu thun mong manh và t “rõ ràng” trong “mâu thun rõ ràng” tóm li là thc ra thit k ca thí nghim DAMA khác bit v cơ bn vi nhng thí nghim khác, khin cho khó mà so sánh ưc. Quan im này ưc bo v bi Bernabei, ngưi tin rng khng nh ca nhóm hp tác ca bà không b bác b bi nhng thí nghim khác. c bit, bà ch ra rng cơ cu DAMA tuân theo mt “phương pháp mô hình-c lp”, vì nó không b ràng buc, không ging như các thí nghim khác, tìm kim mt loi s kin bt tr li nht nh. Bà khng nh các kt qu ca nhóm bà phù hp vi nhiu ng c viên gi thuyt a dng, như các axion hay vt cht ti “nh”, và không ch có các WIMP. “[Các nhà nghiên cu khác] phi thn trng hơn và có thành tâm hơn trong vic khng nh nhng s loi tr mà h tin hành”, bà thêm. Tht vy, Petr Vogek, mt nhà lí thuyt ht nhân ti Vin Công ngh California  Mĩ, tin rng DAMA có th ang phát hin ra th gì ó ngoài các WIMP ra, vì thí nghim ó nhy vi bt kì s bt tr li nào, bao gm trong ó c nhng s ny tr li ca electron. “iu ó khá là bt ng, nhưng không hoàn toàn không khi nghi vn”, ông thêm. “Vì th, tr khi là ai ó tìm thy li gii thích có phn không lãng mn cho s bin thiên thưng niên mà DAMA quan sát thy, thì kh năng kì l này cn phi ưc kho sát”. Các axion, các ht rt nh ưc tiên oán là tn ti bi các m rng cho Mô hình chuNn, là nhng ng c viên sáng giá nht gây ra mt tín hiu electron-bt li. Bernard Sadoulet, mt nhà vt lí ti trưng i hc California Berkeley và là phát ngôn viên cho CDMS, nói rng nhóm hp tác ca ông s sm bt tay vào phân tích các s kin bt li kiu-electron thu ưc bi thí nghim ca h, cho n nay nó ã ưc lc ra tuy vn có mt trong d liu. Ông nói mt cc i trong ph năng lưng ca nhng loi s kin này  khong 3 keV s cho thy DAMA ang phát hin ra axion. Cc i này ti 3 keV hin nay cũng ưc nghiên cu bi nhóm ca Collar s dng máy dò ht CoGENT germanium, và Collar tin tưng rng kt qu s có tác ng có tính quyt nh 94 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay lên các kt qu DAMA. “Nu chúng tôi nhìn thy cái gì ó, thì ngưi ta s i ti iên di c gng tái to các kt qu ca DAMA. Nhưng nu chúng tôi nhìn thy chng có gì c thì ngưi ta có kh năng s mt hng thú  khng nh ó”. Tit din WIMP–nucleon theo khi lưng WIMP, trích t mt bài báo công b vào tháng trưc bi chương trình hp tác CoGENT (arXiv:0807.0879v3). Các ưng thng biu din các gii hn như bng cách bi nhiu thí nghim vt cht ti. Theo nhng gii hn này, các mô hình WIMP chuNn dưng như b loi tr là mt li gii thích có th tn ti cho kt qu DAMA. Mt thí nghim t nó không th xác nhn dt khoát s quan sát trc tip ca vt cht ti – kt qu DAMA cn phi ưc tái to bi mt thí nghim c lp như CoGENT, CDMS hay mt máy dò sodium iodide khác. Nhưng, cho dù chuyn gì xy ra, tht không d gì cho các nhà nghiên cu DAMA và các nhóm khác trong lĩnh vc ó hòa gii s bt ng ca h. Ging như nhiu ngưi khác, Peter Cooper  Fermilab, ngưi làm vic chung vi Collar v COUPP, tin rng nhóm DAMA phi ci m hơn na trong mi quan h ca h vi phn còn li ca cng ng. Nhưng ông cũng phát biu rng các nhà vt lí khác cn phi chuNn b tinh thn chp nhn các khng nh DAMA, minh oan cho h. Ông hi vng mi ngưi  hai bên chin tuyn “bình tĩnh li mt chút và quay v vi khoa hc”, thêm rng cuc tranh lun khoa hc s ưc gii quyt bi thc nghim và phân tích nghiêm túc, ch không phi bi ngưi nào có th cãi ln ting nht. “Ngưi ta có th nói bt c th gì h mun”, ông nói. “Còn cái t nhiên nói mi là vn ”. Edwin Cartlidge Ngun: A light in the dark (Physics World, tháng 8/2008) hiepkhachquay dch . 88 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay Mt tia sáng trong bóng đêm ? Edwin Cartlidge Trong 10 năm qua, các nhà vật lí ở Italy đã và đang khẳng định họ đã phát. ch nhìn thy trong các s kin “va chm ơn” (nhng s kin trong ó mt trong s 25 b phn riêng l ca máy dò ht phát ra mt lóe sáng trong mt ng nhân quang) và không có mt trong nhng. s nhiu do các tia vũ tr ưc gi n mt giá tr tuyt i ti thiu (1 km á ph làm gim thông lưng tia vũ tr i khong 1 triu ln), và các máy dò ht phi t bên trong mt v bc