Khôi Nguyên
Writer
Tại một khu vực hẻo lánh thuộc bang South Dakota (Mỹ), nơi từng vang dội tiếng máy khoan và mùi thuốc nổ của cơn sốt vàng năm xưa, các nhà khoa học đang tiến hành một trong những dự án vật lý táo bạo nhất lịch sử nhân loại. Thay vì khai thác tài nguyên từ lòng đất, họ đang bơm ngược trở lại 15.000 tấn chất lỏng đặc biệt xuống độ sâu hàng nghìn mét. Đây không phải là một hoạt động chôn lấp chất thải, mà là trái tim của DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) – thí nghiệm vật lý hạt quy mô quốc tế nhằm giải mã những bí ẩn sâu thẳm nhất về nguồn gốc vũ trụ.
Biến mỏ vàng hoang phế thành pháo đài khoa học
Địa điểm được lựa chọn cho sứ mệnh lịch sử này là Cơ sở Nghiên cứu Dưới lòng đất Sanford, vốn là một mỏ vàng cũ đã ngừng khai thác. Các nhà vật lý đã cải tạo hệ thống hang động chằng chịt và sâu thẳm này để trở thành "ngôi nhà" cho các thiết bị dò tìm tối tân nhất thế giới. Mục tiêu của họ là nghiên cứu neutrino, hay còn gọi là "hạt ma" – những hạt hạ nguyên tử gần như vô hình, không có khối lượng đáng kể và có khả năng đi xuyên qua mọi vật chất, bao gồm cả Trái Đất và cơ thể con người, với số lượng hàng tỷ hạt mỗi giây mà không để lại dấu vết.
Để "bắt" được những hạt khó nắm bắt này, DUNE buộc phải đặt các thiết bị dò tìm sâu dưới lòng đất. Lớp đất đá dày hàng nghìn mét phía trên đóng vai trò như một tấm khiên tự nhiên khổng lồ, giúp lọc bỏ các tia vũ trụ và bức xạ nền có thể làm nhiễu tín hiệu cực kỳ yếu ớt của neutrino. Tuy nhiên, chỉ đào hầm sâu là chưa đủ, các nhà khoa học cần một môi trường vật chất đặc biệt để tương tác với neutrino, và đó là lý do argon lỏng được lựa chọn.
Thách thức giam giữ 15.000 tấn Argon ở âm 186 độ C
Argon là một loại khí trơ chiếm tỷ lệ nhỏ trong khí quyển. Khi được làm lạnh xuống mức âm 186 độ C, nó chuyển sang trạng thái lỏng trong suốt và sở hữu một đặc tính quý giá: khi một hạt neutrino hiếm hoi va chạm với nguyên tử argon, nó sẽ phát ra những tín hiệu ánh sáng cực nhỏ mà các cảm biến tinh vi có thể ghi nhận được. Để tăng xác suất xảy ra va chạm này, các nhà khoa học không tính toán bằng đơn vị gam hay kilogam, mà họ cần một bể chứa khổng lồ với dung tích lên tới hơn 15.000 tấn argon lỏng.
Thách thức kỹ thuật lớn nhất của dự án không nằm ở vật lý lý thuyết, mà ở bài toán hậu cần và kỹ thuật cơ khí: làm thế nào để xây dựng những chiếc "bình giữ nhiệt" khổng lồ (cryostat) có kích thước tương đương vài bể bơi Olympic gộp lại, chịu được áp suất cực lớn của chất lỏng đặc hơn nước, và duy trì nhiệt độ siêu lạnh trong suốt nhiều năm liền ở độ sâu hàng km dưới lòng đất.
Lluís Miralles Verge, trưởng nhóm dự án hệ thống làm lạnh của thí nghiệm tại CERN, thừa nhận đây là lần đầu tiên giới khoa học phải đối mặt với một thách thức lớn đến vậy về hoạt động hậu cần. Các thiết bị khổng lồ của DUNE không thể được vận chuyển nguyên khối. Chúng phải được chia nhỏ thành hàng nghìn chi tiết, đưa xuống qua trục thang máy mỏ vàng chật hẹp mang tên Ross, sau đó mới được lắp ráp lại một cách tỉ mỉ trong lòng các hang động.
Công nghệ màng thép "gợn sóng" và sự hợp tác toàn cầu
Để giải quyết bài toán giãn nở nhiệt – hiện tượng vật liệu bị nứt vỡ khi nhiệt độ thay đổi đột ngột từ môi trường thường xuống âm 186 độ C – các kỹ sư đã áp dụng công nghệ màng ngăn tiên tiến, vốn thường được sử dụng trong các tàu vận chuyển khí tự nhiên hóa lỏng (LNG). Bên trong các bể cryostat, lớp lót bằng thép không gỉ được thiết kế với các nếp gấp dạng gợn sóng đặc biệt. Cấu trúc này cho phép các tấm thép co giãn linh hoạt theo nhiệt độ mà không bị phá hủy cấu trúc, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho khối chất lỏng khổng lồ bên trong.
Dự án DUNE không chỉ là nỗ lực đơn lẻ của Mỹ mà là kết tinh trí tuệ của cộng đồng khoa học quốc tế. Châu Âu, với sự dẫn dắt của CERN, đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và kiểm thử các bể cryostat này. Trước khi được lắp đặt tại mỏ vàng ở South Dakota, các phiên bản nguyên mẫu đã được vận hành thử nghiệm thành công tại châu Âu để kiểm chứng tính an toàn và độ ổn định.
Sự đầu tư khổng lồ về tiền bạc và công sức này nhằm phục vụ một mục tiêu tối thượng: tìm ra câu trả lời cho sự tồn tại của vật chất. Thông qua việc quan sát sự biến đổi của neutrino, các nhà khoa học hy vọng sẽ giải thích được tại sao sau vụ nổ Big Bang, vật chất lại chiếm ưu thế hơn phản vật chất, cho phép các thiên hà, ngôi sao và sự sống con người hình thành như ngày nay. Những bể argon lỏng sâu trong lòng đất Mỹ chính là kính viễn vọng hướng vào thế giới hạ nguyên tử, nơi nắm giữ chìa khóa của những quy luật vũ trụ mà nhân loại vẫn chưa thấu hiểu hết.
Biến mỏ vàng hoang phế thành pháo đài khoa học
Địa điểm được lựa chọn cho sứ mệnh lịch sử này là Cơ sở Nghiên cứu Dưới lòng đất Sanford, vốn là một mỏ vàng cũ đã ngừng khai thác. Các nhà vật lý đã cải tạo hệ thống hang động chằng chịt và sâu thẳm này để trở thành "ngôi nhà" cho các thiết bị dò tìm tối tân nhất thế giới. Mục tiêu của họ là nghiên cứu neutrino, hay còn gọi là "hạt ma" – những hạt hạ nguyên tử gần như vô hình, không có khối lượng đáng kể và có khả năng đi xuyên qua mọi vật chất, bao gồm cả Trái Đất và cơ thể con người, với số lượng hàng tỷ hạt mỗi giây mà không để lại dấu vết.
Để "bắt" được những hạt khó nắm bắt này, DUNE buộc phải đặt các thiết bị dò tìm sâu dưới lòng đất. Lớp đất đá dày hàng nghìn mét phía trên đóng vai trò như một tấm khiên tự nhiên khổng lồ, giúp lọc bỏ các tia vũ trụ và bức xạ nền có thể làm nhiễu tín hiệu cực kỳ yếu ớt của neutrino. Tuy nhiên, chỉ đào hầm sâu là chưa đủ, các nhà khoa học cần một môi trường vật chất đặc biệt để tương tác với neutrino, và đó là lý do argon lỏng được lựa chọn.
Thách thức giam giữ 15.000 tấn Argon ở âm 186 độ C
Argon là một loại khí trơ chiếm tỷ lệ nhỏ trong khí quyển. Khi được làm lạnh xuống mức âm 186 độ C, nó chuyển sang trạng thái lỏng trong suốt và sở hữu một đặc tính quý giá: khi một hạt neutrino hiếm hoi va chạm với nguyên tử argon, nó sẽ phát ra những tín hiệu ánh sáng cực nhỏ mà các cảm biến tinh vi có thể ghi nhận được. Để tăng xác suất xảy ra va chạm này, các nhà khoa học không tính toán bằng đơn vị gam hay kilogam, mà họ cần một bể chứa khổng lồ với dung tích lên tới hơn 15.000 tấn argon lỏng.
Thách thức kỹ thuật lớn nhất của dự án không nằm ở vật lý lý thuyết, mà ở bài toán hậu cần và kỹ thuật cơ khí: làm thế nào để xây dựng những chiếc "bình giữ nhiệt" khổng lồ (cryostat) có kích thước tương đương vài bể bơi Olympic gộp lại, chịu được áp suất cực lớn của chất lỏng đặc hơn nước, và duy trì nhiệt độ siêu lạnh trong suốt nhiều năm liền ở độ sâu hàng km dưới lòng đất.
Lluís Miralles Verge, trưởng nhóm dự án hệ thống làm lạnh của thí nghiệm tại CERN, thừa nhận đây là lần đầu tiên giới khoa học phải đối mặt với một thách thức lớn đến vậy về hoạt động hậu cần. Các thiết bị khổng lồ của DUNE không thể được vận chuyển nguyên khối. Chúng phải được chia nhỏ thành hàng nghìn chi tiết, đưa xuống qua trục thang máy mỏ vàng chật hẹp mang tên Ross, sau đó mới được lắp ráp lại một cách tỉ mỉ trong lòng các hang động.
Công nghệ màng thép "gợn sóng" và sự hợp tác toàn cầu
Để giải quyết bài toán giãn nở nhiệt – hiện tượng vật liệu bị nứt vỡ khi nhiệt độ thay đổi đột ngột từ môi trường thường xuống âm 186 độ C – các kỹ sư đã áp dụng công nghệ màng ngăn tiên tiến, vốn thường được sử dụng trong các tàu vận chuyển khí tự nhiên hóa lỏng (LNG). Bên trong các bể cryostat, lớp lót bằng thép không gỉ được thiết kế với các nếp gấp dạng gợn sóng đặc biệt. Cấu trúc này cho phép các tấm thép co giãn linh hoạt theo nhiệt độ mà không bị phá hủy cấu trúc, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho khối chất lỏng khổng lồ bên trong.
Dự án DUNE không chỉ là nỗ lực đơn lẻ của Mỹ mà là kết tinh trí tuệ của cộng đồng khoa học quốc tế. Châu Âu, với sự dẫn dắt của CERN, đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và kiểm thử các bể cryostat này. Trước khi được lắp đặt tại mỏ vàng ở South Dakota, các phiên bản nguyên mẫu đã được vận hành thử nghiệm thành công tại châu Âu để kiểm chứng tính an toàn và độ ổn định.
Sự đầu tư khổng lồ về tiền bạc và công sức này nhằm phục vụ một mục tiêu tối thượng: tìm ra câu trả lời cho sự tồn tại của vật chất. Thông qua việc quan sát sự biến đổi của neutrino, các nhà khoa học hy vọng sẽ giải thích được tại sao sau vụ nổ Big Bang, vật chất lại chiếm ưu thế hơn phản vật chất, cho phép các thiên hà, ngôi sao và sự sống con người hình thành như ngày nay. Những bể argon lỏng sâu trong lòng đất Mỹ chính là kính viễn vọng hướng vào thế giới hạ nguyên tử, nơi nắm giữ chìa khóa của những quy luật vũ trụ mà nhân loại vẫn chưa thấu hiểu hết.
