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

88 o | © 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 o | © 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 o | © 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 o | © 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