Cuộc Săn Lùng Hạt Axion: Những Thí Nghiệm Mới Nhất Và Tâm Trạng Của Giới Vật Lý

Vật chất tối chiếm khoảng 85% tổng vật chất trong vũ trụ, nhưng chưa ai từng trực tiếp phát hiện ra nó. Trong số các ứng cử viên hàng đầu cho thứ vật chất bí ẩn này, nổi bật lên là hạt axion — một loại hạt giả thuyết ban đầu được đề xuất để giải quyết một vấn đề riêng biệt trong vật lý hạt, đó là bài toán CP mạnh . Trong vài năm qua, cuộc săn lùng axion đã tăng tốc một cách ngoạn mục. Một thế hệ thí nghiệm mới, từ các máy dò từ tính cỡ bàn cho đến một nam châm siêu dẫn dài 10 mét chuyên theo dõi Mặt Trời, đang thu hẹp không gian tìm kiếm. Dưới đây là bức tranh tổng quan về những nỗ lực lớn nhất, những nhân vật chủ chốt và tâm trạng chung của giới vật lý lúc này.

ABRACADABRA của MIT: Người Mở Đường Đặt Nền Móng

ABRACADABRA-10 cm (viết tắt của "A Broadband/Resonant Approach to Cosmic Axion Detection with an Amplifying B-field Ring Apparatus") là một thiết bị dùng nam châm hình xuyến để tìm kiếm các dòng điện dao động được tạo ra bởi các hạt axion đi qua . Nó đã hoàn thành hai đợt chạy thí nghiệm từ năm 2018 đến 2020, thiết lập các giới hạn loại trừ hàng đầu thế giới về tương tác axion-photon trong phạm vi khối lượng sub-μeV . Dù không tìm thấy tín hiệu axion, thí nghiệm này đã thành công trong việc đặt nền móng kỹ thuật cho chương trình DMRadio lớn hơn, hiện đang là trọng tâm của cuộc săn lùng axion tại MIT .

DMRadio: Chương Trình Nhiều Giai Đoạn Của MIT

DMRadio là một kế hoạch nhiều giai đoạn do MIT dẫn đầu để bao phủ các khối lượng axion dưới 1 μeV. Tất cả các giai đoạn đều sử dụng cùng một nguyên lý cốt lõi, nhưng với quy mô và độ nhạy ngày càng tăng.

• DMRadio-50L — hiện đang được xây dựng tại Stanford. Nó sẽ tìm kiếm trong dải tần 5 kHz – 5 MHz và cũng sẽ đóng vai trò là bệ thử nghiệm cho các cảm biến lượng tử . Hệ thống đông lạnh đã đi vào hoạt động và việc thu thập dữ liệu dự kiến sẽ bắt đầu sớm .
• DMRadio-m³ — đang trong giai đoạn thiết kế. Nó được thiết kế để đạt tới các mô hình axion QCD chuẩn KSVZ và DFSZ trong dải tần 10–200 MHz . Theo một bài báo thiết kế năm 2025, để đạt được độ nhạy cần thiết cho mục tiêu khoa học chính, cần thời gian quét thực tế là 2,9 năm .
• DMRadio-GUT — một thí nghiệm tương lai dài hạn hơn nhắm vào axion QCD ở thang GUT .
• DMRadio-Core — một dạng hình học mới được đề xuất vào năm 2026 nhằm tối ưu hóa việc thu thập tín hiệu .

Jessica Fry: Từ Sân Khấu Broadway Đến Cuộc Săn Lùng Axion

Jessica Fry là nghiên cứu sinh tiến sĩ vật lý năm thứ 5 tại Phòng thí nghiệm Khoa học Hạt nhân của MIT, chuyên chế tạo các máy dò chuyên dụng cho chương trình DMRadio. Cô có một xuất thân khác thường — cô từng là một diễn viên Broadway chuyên nghiệp trước khi rẽ hướng sang vật lý . Cô chia sẻ về cuộc săn lùng axion: "Đó là một bài toán khó. Nhưng nó có thể giải được. Đó là một cuộc săn thú vị" . Cô đã được vinh danh trong danh sách Forbes 30 Under 30 – Khoa học (2026) nhờ công trình dẫn dắt cuộc tìm kiếm vật chất tối .

BabyIAXO và Đài Quan sát Axion Quốc tế (IAXO)

BabyIAXO là một "kính thiên văn hạt" cỡ trung bình có nhiệm vụ tìm kiếm các axion được tạo ra trong lòng Mặt Trời. Nó sử dụng một nam châm lưỡng cực siêu dẫn tùy chỉnh, được Giáo sư Matthias Schott của Đại học Bonn mô tả là "nam châm lưỡng cực lớn nhất từng được chế tạo trong vật lý hạt" N. Nam châm dài 10 mét với hai lỗ khoét đường kính 70 cm, hoạt động ở nhiệt độ khoảng -270°C và được gắn trên một bệ di động để theo dõi Mặt Trời 12 giờ mỗi ngày NN.

Quỹ Nghiên cứu Đức (DFG) vừa phê duyệt 6 triệu euro tài trợ cho việc xây dựng hệ thống nam châm thông qua Cụm Xuất sắc "Color meets Flavor" tại các trường đại học Bonn, Siegen và Dortmund NN. BabyIAXO đặt tại DESY ở Hamburg sẽ thử nghiệm các công nghệ cho phiên bản đầy đủ là Đài quan sát Axion Quốc tế (IAXO), một dự án có độ nhạy vượt trội đối với axion từ Mặt Trời.

Tâm Trạng Của Các Nhà Vật Lý

Giới vật lý đang tràn đầy sự lạc quan thận trọng. Nhiều thí nghiệm — ADMX, CAPP, HAYSTAC, ABRACADABRA — đã liên tục thu hẹp không gian tham số cho phép. DMRadio-m³ và ADMX-EFR sắp sửa thăm dò các mô hình axion QCD được lý thuyết ủng hộ mạnh mẽ nhất trong những năm tới . Nhiều nhà vật lý mô tả cuộc săn là một vấn đề có thể giải quyết được với tín hiệu dự đoán rất đặc trưng . Tuy nhiên, chưa có tín hiệu axion nào được phát hiện, và khối lượng của nó có thể nằm ở những vùng vẫn còn là thách thức với thí nghiệm. Tâm trạng chung có thể được mô tả là lạc quan thận trọng — những công cụ cuối cùng cũng đã sẵn sàng để có thể phát hiện ra axion hoặc loại trừ nó một cách dứt khoát trên phạm vi rộng. Dù là kết quả nào đi nữa thì đó cũng sẽ là một thành tựu lớn của vật lý học.