Phóng Máy Quang Phổ GAPS tại Nam Cực: Săn Lùng Phản Vật Chất và Khám Phá Vật Chất Tối

Vào ngày 16 tháng 12 năm 2025, một sứ mệnh khoa học quan trọng đã chính thức khởi động từ vùng băng giá Nam Cực, sử dụng một khinh khí cầu khoa học cỡ lớn được thiết kế để tìm kiếm các hạt nhân phản vật chất vũ trụ quý hiếm. Thiết bị này, được biết đến với tên gọi Quang Phổ Phản Hạt Chung (GAPS), được phóng lên trong khuôn khổ chiến dịch khinh khí cầu bay lâu năm thường niên của NASA, cất cánh từ một căn cứ gần Trạm McMurdo của Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, nằm trên thềm băng Ross.

Mục tiêu của chuyến thám hiểm này là đạt tới độ cao hoạt động lý tưởng là 120.000 feet, tương đương khoảng 36 kilômét trên bề mặt Trái Đất. Tại độ cao này, bầu khí quyển loãng cung cấp điều kiện tối ưu để ghi nhận các hạt hạ nguyên tử. Thí nghiệm GAPS được hiệu chỉnh đặc biệt để phát hiện các phản deuteron, những hạt có thể cung cấp bằng chứng gián tiếp đầu tiên về bản chất hạt của vật chất tối, vốn được ước tính chiếm hơn 80% tổng khối lượng của Vũ trụ. Việc phóng thành công, diễn ra lúc 5:30 sáng theo Giờ chuẩn New Zealand ngày 16 tháng 12, đã mở màn cho chuỗi quan sát kéo dài nhiều tuần trong chuyến bay tuần hoàn quanh lục địa.

GAPS áp dụng một phương pháp nhận dạng phản hạt tiên tiến, dựa trên việc hình thành một nguyên tử lạ (exotic atom), sau đó phân rã để phát ra tia X, đồng thời ghi lại dấu vết pion-proton từ quá trình hủy vật chất. Phương pháp này, khác biệt so với các thí nghiệm dùng quang phổ từ trường, mang lại độ nhạy cao đối với các phản hạt năng lượng thấp như phản proton và phản deuteron, đồng thời triệt tiêu đáng kể nhiễu nền. Hơn nữa, ngưỡng cứng từ trường địa lý thấp gần Cực Nam càng làm tăng độ nhạy của thiết bị đối với các phản deuteron năng lượng thấp, vốn là dải năng lượng mà nhiều lý thuyết vật chất tối dự đoán sẽ xuất hiện.

Dự án GAPS là kết quả của sự hợp tác quốc tế sâu rộng. Đại học Hawaii tại Manoa đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phát triển, với sự tham gia của các tổ chức danh tiếng như Đại học Columbia, Đại học California, Los Angeles (UCLA), và Đại học Northeastern, cùng với các đối tác từ Nhật Bản, Ý và Trung Quốc. Giáo sư Philip von Doetinchem, người đứng đầu dự án, nhấn mạnh rằng thí nghiệm này đặt Hawaii vào vị trí tiên phong trong việc giải mã một trong những bí ẩn lớn nhất của vật lý hiện đại. Các lần thử nghiệm công nghệ trước đây bao gồm việc kiểm chứng khái niệm tại máy gia tốc KEK ở Nhật Bản vào năm 2005, và chuyến bay thử nghiệm nguyên mẫu (pGAPS) vào tháng 6 năm 2012.

Sứ mệnh này là một phần của chiến dịch rộng lớn hơn của NASA, trong đó còn có việc phóng thiết bị PUEO (Payload for Ultrahigh Energy Observations) – dự án đầu tiên được chọn theo chương trình NASA Astrophysics Pioneers, nhằm hỗ trợ các nghiên cứu đầy hứa hẹn với chi phí thấp hơn. Trong khi PUEO tập trung vào việc ghi nhận neutrino, GAPS lại chuyên sâu vào phản vật chất, thể hiện cách tiếp cận đa chiều đối với việc nghiên cứu Vũ trụ. Việc thu thập dữ liệu, dự kiến kéo dài vài tuần, sẽ cung cấp những giới hạn chưa từng có cho các mô hình vật chất tối. Kết quả từ GAPS hoặc sẽ dẫn đến việc phát hiện rõ ràng đầu tiên về phản deuteron trong vũ trụ, hoặc sẽ loại trừ một phạm vi rộng lớn các mô hình dự đoán sự hình thành của chúng.