Những phòng thí nghiệm hiếm thấy

Trong lòng đất đá

Vật chất tối là một chất bí ẩn trong Vũ trụ của chúng ta, mà các nhà khoa học trên toàn thế giới đã cố gắng làm sáng tỏ trong nhiều năm, nhưng để phát hiện ra nó, phải cần một nơi được bảo vệ hoàn toàn khỏi ánh sáng mặt trời. Vào tháng 12/2023, cơ sở khoa học khổng lồ, nằm ở độ sâu nhất (2,5 km) và lớn nhất thế giới đã được Trung Quốc mở cửa và bắt đầu hoạt động hết công suất.

Vào những năm 2000, từ dự án nhà máy thủy điện Cận Bình II tỉnh Tứ Xuyên, Trung Quốc, các công nhân đã đào một số đường hầm trong khối đá, trong đó có hai đường hầm vận chuyển dài 17,5 km. Các nhà vật lý Trung Quốc quyết định rằng không gian này có thể là địa điểm tuyệt vời cho một phòng thí nghiệm sâu dưới lòng đất. Công ty thủy điện đồng ý hợp tác và lấy mẫu không gian thí nghiệm ở phần trung tâm của đường hầm đang được xây dựng.

Công việc bắt đầu vào năm 2009, kéo dài cho đến tháng 12/2023. Ban đầu, phòng thí nghiệm bao gồm một phòng chính, là một hội trường có kích thước 6,5×6,5×42 mét và một đường hầm vào trong đất đá dài 55 mét. Sau đó người ta quyết định phóng to phòng thí nghiệm mini lên 50 lần. Trong 3 năm qua, nó đã tiếp tục được mở rộng và hiện đại hóa. Thể tích của phòng thí nghiệm là 300.000m3. Về kích thước, nó thậm chí còn gấp đôi Phòng thí nghiệm Quốc gia Gran Sasso (Italy), nơi luôn được coi là một trong những phòng thí nghiệm lớn nhất.

Cuối tháng 12/2023, giai đoạn cuối của khu phức hợp hiện đại này đã hoàn thành, các nhóm nghiên cứu đầu tiên đã vào đường hầm, phòng thí nghiệm sâu nhất thế giới đã bắt đầu công việc chính thức. Họ sẽ phải tìm kiếm và nghiên cứu “vật chất tối”, đó là ước mơ mong muốn của nhiều nhà vật lý trên thế giới. 

Phát hiện vật chất tối hiện là một trong những nhiệm vụ chính của vật lý lý thuyết và thiên văn học. Các nhà khoa học biết về mặt giả thuyết rằng nó tồn tại, nhưng giả định của họ không được xác nhận dưới bất kỳ hình thức nào bằng các quan sát trực tiếp, bởi vì vật chất tối không tham gia vào tương tác điện từ. Vật chất nhìn thấy được, bất kể đó là bụi vũ trụ hay thiên thể nói chung chỉ chiếm 5% tổng khối lượng của vũ trụ, nghĩa là phần lớn nó được ẩn giấu bằng cách nào đó. Họ cố gắng giải thích vấn đề khối lượng ẩn này bằng sự hiện diện của năng lượng tối và quan trọng nhất là vật chất tối. Nó không hấp thụ, không phản xạ và không phát ra ánh sáng, vì vậy rất khó và cho đến nay đơn giản là không thể phát hiện được. Nhưng chất này, theo các nhà vật lý, chiếm 1/5 tổng khối lượng của vũ trụ, nếu không muốn nói là nhiều hơn.

Có một số giả thuyết mà dựa vào đó các nhà vật lý đang cố gắng sử dụng các thí nghiệm thực tế để phát hiện sự tương tác của vật chất tối và vật chất nhìn thấy được. Nhưng làm sao người ta có thể xác nhận hay bác bỏ mô hình này hay mô hình kia trong thực tế? Cho đến nay, đây vẫn là một vấn đề lớn, vì đối với những thí nghiệm như vậy cần phải tạo điều kiện để giảm thiểu nguy cơ ảnh hưởng tiêu cực từ bên ngoài đến quá trình phát hiện các tia vũ trụ bên ngoài hoặc bức xạ mặt đất. Độ sâu của cơ sở nghiên cứu dưới lòng đất được xây dựng ở Trung Quốc khiến nó trở thành phòng thí nghiệm an toàn nhất trên thế giới và là nơi lý tưởng để tiến hành những nghiên cứu và thí nghiệm như vậy.

Dù đi ngầm theo chiều thẳng đứng hơn 2.400m, nhưng nó có lối vào theo chiều ngang qua một đường hầm, do đó có thể cung cấp mọi thứ cần thiết cho công việc bằng phương tiện giao thông. Các đường hầm trong phòng thí nghiệm được bao phủ bằng đá cẩm thạch. Áp lực nước lên đá ở đây rất cao và đạt khoảng 100 atm (1 atm tương đương với áp suất của cột thủy ngân cao 760 mm tại nhiệt độ 0°C dưới gia tốc trọng trường là 9,80665 m/s²), nhưng điều này góp phần bảo vệ bức xạ, bao gồm hàm lượng hạt nhân phóng xạ thấp, từ đó dẫn đến nồng độ radon trong không khí thấp.

Sự hiện diện của một siêu phòng thí nghiệm mới được xây dựng cũng sẽ hỗ trợ nghiên cứu liên ngành. Các lĩnh vực thí nghiệm như vậy có thể bao gồm vật lý hạt và vật lý thiên văn hạt nhân, cũng như nghiên cứu cơ học đá.

Cần biết rằng để tìm kiếm vật chất tối, các nhà khoa học cũng sử dụng Máy va chạm Hadron Lớn, đặt ở gần Geneva, nhưng nó không thể so sánh với phòng thí nghiệm Trung Quốc về các điều kiện tạo ra. Máy Va chạm chỉ được chế tạo ở độ sâu 100m, hơn nữa, mục đích chính của nó vẫn khác. Còn đây là cuộc tìm kiếm không chỉ về lỗ đen mà còn về siêu đối xứng, nghiên cứu về các hạt cơ bản nặng nhất (quark đỉnh) và trạng thái tổng hợp của vật chất trong vật lý hạt cơ bản và năng lượng cao (plasma quark-gluon).

Ở nơi đáy nước

Cho tới thời điểm này, Giáo sư người Mỹ Joseph Dituri, được biết đến với biệt danh “Bác sĩ biển sâu”, là người duy nhất sống, làm việc dưới nước trọn 100 ngày để nghiên cứu ảnh hưởng của lối sống dưới nước đối với sức khỏe con người.

Joseph Dituri là trợ lý giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Y sinh tại Đại học Nam Florida và tiến hành nghiên cứu liên quan đến thuốc cao áp dùng để điều trị một loạt bệnh. Dituri thực hiện chuyến lặn đầu tiên vào năm 9 tuổi trên các kênh đào ở New York, khi người cha cần sửa chữa chiếc thuyền của gia đình. Kể từ đó, ông yêu thích môn lặn biển. Ông đã phục vụ trong Hải quân Mỹ 28 năm, làm thợ lặn và chuyên gia tàu ngầm, lấy bằng cử nhân khoa học máy tính và bằng thạc sĩ về du hành vũ trụ, là chỉ huy hoạt động đặc biệt, sau đó xuất ngũ. Ông nhận bằng Tiến sĩ về Kỹ thuật Y sinh từ USF và mở trung tâm trị liệu bằng oxy cao áp, điều trị những chấn thương sọ não không dễ phát hiện bằng MRI nhưng vẫn ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của mọi người.

Bằng cách nghiên cứu tác động của áp suất cao lên cơ thể con người, Dituri hy vọng nghiên cứu mà ông bắt đầu sẽ hữu ích trong việc điều trị không chỉ chấn thương sọ não mà còn nhiều loại bệnh. Ông tin tưởng rằng việc sống dưới nước, nơi áp suất khí quyển cao hơn 70% so với trên bề mặt, có thể ngăn ngừa các bệnh liên quan đến lão hóa và thậm chí đảo ngược quá trình lão hóa, việc tiếp xúc với áp lực gia tăng sẽ làm tăng sự phát triển của tế bào gốc, độ dài của telomere và lượng collagen trong cơ thể, dẫn đến làm chậm quá trình lão hóa tế bào.

Telomere là các phần của phân tử AND thực hiện chức năng bảo vệ của nó. Chúng có xu hướng ngắn lại khi chúng ta già đi, làm giảm sản xuất tế bào và về cơ bản dẫn đến lão hóa. Dituri cho biết, việc tăng chiều dài telomere có thể đảo ngược quá trình này và collagen là thành phần cấu tạo nên mọi tế bào trong cơ thể con người.

Ngày 1/3/2023, Joseph Dituri bắt đầu thực hiện dự án Project Neptune 100 trong một phòng kín dưới đáy đầm phá ở Key Largo, Florida, ở độ sâu khoảng 9 mét (kỷ lục 73 ngày dưới nước trước đó cũng được xác lập tại đây). Căn phòng rộng 9,2 m2 được trang bị đầy đủ, thậm chí còn được trang bị một buồng tắm và khu vệ sinh nho nhỏ kết nối với hệ thống cống thoát nước trên mặt đất. Mỗi sáng ông thức dậy lúc 5 giờ để chơi thể thao rồi tự nấu bữa sáng trong lò vi sóng, chủ yếu đó là thức ăn giàu protein - trứng hoặc cá hồi.

Sau bữa sáng, ông bắt đầu làm việc: tham gia vào các hoạt động khoa học, kỹ thuật và toán học, ngoài ra, còn thực hiện nhiều cuộc phỏng vấn trước máy quay, thực hiện các bài kiểm tra để đánh giá tình trạng của mình và cũng giảng bài trực tuyến có hơn 5.500 sinh viên từ 15 quốc gia tham dự. Từ căn phòng dưới nước, Joseph Dituri cũng dạy một khóa Kỹ thuật Y sinh cho sinh viên của mình tại Đại học Nam Florida, cho họ biết thí nghiệm diễn ra như thế nào. Ngoài nghiên cứu, giáo sư còn hợp tác với các chuyên gia về bảo vệ, bảo tồn và phục hồi môi trường biển.

Trong quá trình thí nghiệm, Joseph Dituri liên tục chịu sự giám sát của các bác sĩ, những người cũng định kỳ lặn xuống độ sâu để theo dõi sức khỏe của ông.

Sau đúng 100 ngày, Joseph Dituri rời căn phòng dưới nước của mình vào ngày 9/6/2023. Sau khi nổi lên, đầu tiên ông đi tắm và kiểm tra y tế.

Các bác sĩ, dựa trên xét nghiệm máu, điện tâm đồ và kiểm tra siêu âm, cũng ghi nhận sự cải thiện ở các chỉ số khác. Mức cholesterol trong máu của Dituri giảm hơn 1/4, mặc dù ông vẫn ăn "như thường lệ" và các dấu hiệu viêm nhiễm đã giảm đi một nửa. Bản thân Dituri cũng ghi nhận một sự thay đổi mà ông nhận thấy trên cơ thể mình - khi ở dưới nước, chiều cao của ông giảm đi 1,25 cm, điều này có thể là do tiếp xúc kéo dài với áp suất tăng cao, nhưng ông hy vọng rằng quá trình này có thể đảo ngược.

Nhóm y tế quan sát thí nghiệm của Joseph Dituri lưu ý rằng thí nghiệm độc đáo này sẽ mang lại tiến bộ đáng kể trong nghiên cứu và dữ liệu thu thập được sẽ được sử dụng để phát triển y học cao áp.

Sau đó, giáo sư thừa nhận với các phóng viên rằng có một điều mà ông thực sự nhớ dưới nước: mặt trời, cơ hội ngắm bình minh và hoàng hôn. Tuy nhiên, Joseph Dituri đã sẵn sàng thực hiện thí nghiệm tiếp theo và nhân đôi kỷ lục của mình lên 200 ngày dưới nước. Vị giáo sư 55 tuổi hiện đang cố gắng truyền cho sinh viên niềm yêu thích khoa học và khám phá.