Theo các mô hình hiện tại, vật chất mà con người có thể nhìn thấy, từ các hành tinh, ngôi sao cho đến các thiên hà, chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng khối lượng của vũ trụ. Phần còn lại thuộc về vật chất tối (một dạng vật chất vô hình), không tương tác với ánh sáng nhưng lại đóng vai trò quyết định trong sự hình thành và chuyển động của các thiên thể.
Bản chất của vật chất tối vẫn chưa được xác định, nhưng các nhà khoa học tin rằng nó có thể được tạo thành từ các hạt cơ bản chưa được phát hiện. Việc săn lùng những hạt này không phải là điều đơn giản vì chúng rất khó nắm bắt, và để tìm ra chúng, các nhà khoa học phải đặt các máy dò sâu dưới lòng đất, nơi các điều kiện môi trường cho phép giảm thiểu tối đa các tín hiệu nhiễu. Một trong những địa điểm quan trọng cho cuộc tìm kiếm này là Phòng thí nghiệm ngầm Boulby, nằm sâu 1,1 km dưới lòng đất ở Anh.
Phòng thí nghiệm Boulby được đặt trong một mỏ polyhalit và muối đang hoạt động. Tại độ sâu này, các hạt vật chất tối, nếu thực sự tồn tại, vẫn có thể đi xuyên qua lớp đá để đến máy dò, trong khi các tia vũ trụ bị chặn lại. Đây là một trong những yêu cầu quan trọng của nghiên cứu vật chất tối, bởi bề mặt Trái Đất liên tục bị bắn phá bởi các tia vũ trụ đến từ nhiều nguồn khác nhau, từ Mặt Trời đến các sự kiện thiên văn năng lượng cao như siêu tân tinh hay các lỗ đen.
Khi chạm vào bầu khí quyển, những tia này tạo ra các hạt thứ cấp có thể xâm nhập vào máy dò và tạo ra những tín hiệu giả, làm nhiễu dữ liệu. Bằng cách đặt máy dò sâu dưới lòng đất, các nhà khoa học có thể tạo ra một môi trường yên tĩnh hơn, giúp phát hiện các sự kiện hiếm hoi có thể liên quan đến vật chất tối.
Giáo sư Sean Paling, giám đốc Phòng thí nghiệm ngầm Boulby, giải thích rằng vật chất tối có thể được tạo thành từ một loạt các hạt có khối lượng khác nhau, từ rất nhẹ đến rất nặng. Chúng không giống bất kỳ hạt nào mà con người đã biết, nhưng có thể có cơ chế hoạt động tương tự như neutrino, những hạt hạ nguyên tử gần như không có khối lượng và có thể xuyên qua vật chất mà không bị cản trở. Hàng tỷ neutrino đi qua cơ thể con người mỗi giây mà chúng ta không hề nhận ra, và nếu vật chất tối có tính chất tương tự nhưng có khối lượng lớn hơn, chúng có thể tương tác với các nguyên tử trong máy dò theo cách có thể quan sát được. Khi một hạt vật chất tối va vào một nguyên tử, nó có thể tạo ra một tia sáng, và chính những tín hiệu này sẽ là manh mối để xác định sự tồn tại của nó.
Tuy nhiên, ngay cả khi đã được bảo vệ khỏi tia vũ trụ, các máy dò vật chất tối vẫn đối mặt với một thách thức khác: bức xạ phóng xạ tự nhiên từ vật liệu xung quanh. Từ các loại đá cho đến thực phẩm như chuối, và thậm chí cả cơ thể con người, mọi vật thể đều phát ra một lượng bức xạ nhất định.
Vì vậy, để đảm bảo rằng tín hiệu thu được thực sự đến từ vật chất tối mà không phải từ bức xạ nền, các nhà khoa học phải chọn lựa vật liệu xây dựng máy dò với độ tinh khiết phóng xạ cao nhất có thể. Beth Green, một kỹ thuật viên tại Phòng thí nghiệm ngầm Boulby, cho biết việc kiểm soát mức độ phóng xạ là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến độ chính xác của toàn bộ nghiên cứu. Boulby đã phát triển các phương pháp để đo lường mức độ phóng xạ của vật liệu, giúp các nhà khoa học trên toàn thế giới có thể chế tạo các máy dò hạt với độ nhiễu thấp nhất.
Không chỉ dừng lại ở vật chất tối, Boulby còn tham gia vào nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác. Phòng thí nghiệm này đóng vai trò quan trọng trong an toàn hạt nhân, giúp kiểm tra và đánh giá mức độ phóng xạ trong môi trường. Ngoài ra, nó còn là nơi thử nghiệm các công nghệ lưu trữ năng lượng mới, nhằm tìm ra những phương pháp hiệu quả hơn để bảo quản năng lượng trong lòng đất. Đặc biệt, Boulby còn là nơi chuẩn bị cho các sứ mệnh khám phá không gian. Các nhà khoa học tại đây đang thử nghiệm công nghệ và thiết bị có thể được sử dụng trong các nhiệm vụ thám hiểm hành tinh khác, giúp con người sẵn sàng hơn cho việc đặt chân lên những thế giới xa xôi.
Dù là một trong những cơ sở quan trọng nhất của Anh, Boulby không phải là phòng thí nghiệm ngầm duy nhất trên thế giới đang săn lùng vật chất tối. Tại Ý, Phòng thí nghiệm Quốc gia Gran Sasso đặt sâu bên dưới dãy núi Apennines đang vận hành máy dò XENON – một trong những thiết bị tiên tiến nhất cho nghiên cứu này. Ở Mỹ, thí nghiệm LZ được triển khai trong một mỏ cũ ở Nam Dakota cũng có chung mục tiêu. Trong khi đó, tại Nhật Bản, máy dò neutrino Super-Kamiokande dưới núi Ikeno được thiết kế để nghiên cứu một trong những hạt bí ẩn nhất vũ trụ, với nhiều điểm tương đồng trong phương pháp với các thí nghiệm vật chất tối. Những cơ sở này không chỉ chia sẻ chung một mục tiêu mà còn hợp tác chặt chẽ trong việc phát triển công nghệ và phương pháp nghiên cứu.
Trong tương lai, Boulby đặt tham vọng trở thành nơi đặt máy dò vật chất tối quốc tế tiếp theo. Với vị trí địa lý thuận lợi, nền tảng khoa học vững chắc và những nghiên cứu tiên phong, phòng thí nghiệm này có thể đóng vai trò quan trọng trong việc giải mã một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ. Nếu vật chất tối thực sự tồn tại, những hạt này có thể sẽ được phát hiện ngay dưới lòng đất, tại những phòng thí nghiệm như Boulby, nơi con người đang kiên trì săn lùng chúng giữa bóng tối sâu thẳm của Trái Đất.
