Đề xuất tìm kiếm neutrino thứ tư

Các nhà vật lí biết rằng neutrino (và phản neutrino) có ba mùi: electron, muon và tau. Trong một số thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra từng mùi neutrino và thậm chí còn quan sát chúng chúng “dao động” tới lui giữa các mùi. Nhưng bắt đầu vào đầu thập niên 1990, một số thí nghiệm còn cho thấy một sự dị thường: các phản muon neutrino dao động thành phản electron neutrino ở tốc độ cao hơn 3% so với dự đoán. Các nhà vật lí có thể hóa giải sự không nhất quán này bằng cách bổ sung thêm một neutrino thứ tư với một khối lượng nhất định, mặc dù một động thái như thế sẽ đòi hỏi sửa đổi Mô hình Chuẩn, lí thuyết hạt hạ nguyên tử đã mất nhiều thập niên mới xây dựng nên. Trong một nghiên cứu mới, một đội gồm các vật lí nghĩ rằng đã đến lúc đưa câu hỏi sự tồn tại của một neutrino thứ tư ra kiểm tra thực nghiệm.

Trong nghiên cứu của họ đăng trên số ra mới đây của tạp chí Physical Review Letters, Michel Cribier, và các đồng sự, đề xuất một thí nghiệm sẽ tiết lộ một mùi thứ tư của neutrino có thật sự tồn tại hay không. Nếu có thì nó sẽ có những hàm ý to lớn không chỉ đối với nền khoa học neutrino, mà còn với việc tìm hiểu những viên gạch cấu trúc của vật chất nói chung.

Những gợi ý đầu tiên rằng có cái gì đó không thích hợp xác định hồi đầu thập niên 1990 từ thí nghiệm Máy dò Neutrino Chất lỏng Nhấp nháy (LSND) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos. Trong thí nghiệm đó, một chùm phản muon bắn phá vào một tấm bia, mang lại số lượng dao động phản electron neutron cao hơn dự đoán. Hay nói cách khác, các dao động phản neutrino dường như xảy ra ở một tốc độ nhanh hơn trông đợi.

Trong một thử nghiệm đã đề xuất cho neutrino thứ tư, một nguồn phản electron neutrino nhỏ (màu xanh) đặt tại chính giữa của một máy dò chất lỏng nhấp nháy cỡ lớn sẽ được dùng để bắn phá tấm bia. Đường cong màu đỏ thể hiện sự dao động của tốc độ phản neutrino là một hàm của khoảng cách bên trong máy dò. Nếu sự bắn phá sinh ra neutrino vô sinh, thì tương tác của các phản electron neutrino sẽ thể hiện một sự điều biến không gian vài phần trăm trên vài mét. Ảnh: L. Scola (CEA)

Nhưng động cơ của Cribier và các đồng tác giả của ông muốn thực hiện một thử nghiệm neutrino thứ tư nằm ở những kết quả của một nghiên cứu gần đây hơn, định luật Dị thường Phản Neutrino Lò phản ứng. Trong một nghiên cứu mới đây, các nhà vật lí tại Ủy ban Năng lượng Nguyên tử Pháp (CEA) iwr Saclay đã tính lại tốc độ sản sinh phản neutrino trong những lò phản ứng hạt nhân đã được tính lần đầu tiên hồi thập niên 1980. Sử dụng những kĩ thuật cải tiến, các nhà khoa học ước tính tốc độ sản sinh phản neutrino là cao hơn khoảng 3% so với dự đoán trước đây. Ngay cả sau khi kiểm tra lại những ước tính mới đó, vẫn còn có 3% phản neutrino dư ra. Hệ quả là chính các nhà vật lí đó đã phân tích lại hơn 20 kết quả thí nghiệm neutrino lò phản ứng trước đây, tìm thấy có thêm nhiều khác biệt nữa.

Lời giải thích vật lí đơn giản nhất cho sự dị thường này là sự tồn tại của một neutrino thứ tư. Các nhà vật lí đã ước tính khối lượng của neutrino thứ tư và còn xác định nó là “vô sinh” vì nó không tương tác với vật chất qua lực tương tác yếu giống như những neutrino khác. Tính chất này sẽ làm cho neutrino thứ tư đặc biệt khó phát hiện ra; một số nhà vật lí còn nghi ngờ nó có thể là một ứng cử viên vật chất tối.

Với quá nhiều ngụ ý về hạt giả thuyết này, Cribier và nhóm tác giả của ông đã đề xuất một sự tìm kiếm mà theo họ sẽ kiểm tra rõ ràng sự tồn tại của nó. Thí nghiệm sẽ chiếu một nguồn phản electron neutrino đẳng hướng 1,85 PBq (khoảng 10 gram, hay chưa tới 4 cm) vào một tấm bia nằm giữa một máy dò chất lỏng nhấp nháy cỡ lớn (LLSD). Những máy dò có khả năng bao gồm Borexino, KamLAND, và SNO+, chúng chứa khoảng một nghìn tấn chất lỏng nhấp nháy cực kì tinh khiết bên trong một bể nylon hay acrylic. Máy phát phản electron neutrino sẽ bao gồm một nguồn phóng xạ như hạt nhân cerium, một sản phẩm phân hạch thường gặp từ các lò phản ứng hạt nhân có thể trích ra từ các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng. Để thu được mức có nghĩa nhất định, thí nghiệm sẽ chạy trong một năm ròng.

Nếu sự bắn phá tấm bia mang lại một neutrino vô sinh, thì các nhà khoa học có thể đo dấu hiệu dao động độc nhất vô nhị của nó để xác định sự tồn tại của neutrino đó.

“Một neutrino vô sinh, theo định nghĩa, không có khả năng gây ra một tương tác cho phép phát hiện trực tiếp ra nó”, đồng tác giả Thierry Lasserre thuộc CEA phát biểu. “Tuy nhiên, lí thuyết dự đoán sự dao động giữa hai neutrino bình thường và neutrino vô sinh đó. Như vậy, dấu hiệu thực nghiệm của một neutrino vô sinh nằm trong sự quan sát tương tác của các neutrino bình thường với một sự điều biến năng lượng và/hoặc khoảng cách điều khiển bởi sự hòa trộn và khối lượng của neutrino thứ tư. Khối lượng (cỡ eV) và sự kết hợp của neutrino vô sinh có thể giải thích sự dị thường phản neutrino lò phản ứng là các tương tác neutrino/phản neutrino có năng lượng điển hình 1-2 MeV sẽ gây ra một sự điều khiến không gian vài phần trăm trên vài mét. Vì thế, nếu đặt một nguồn năng lượng cường độ mạnh tại chính giữa của một máy dò chất lỏng nhấp nháy hình cầu (xem hình minh họa), thì sự phân bố xuyên tấm của đỉnh tương tác sẽ lệch khỏi một phân bố phẳng với một sự điều biến dạng sin. Chu kì không gian tỉ lệ nghịch với khối lượng của neutrino vô sinh trong khi biên độ là một hàm của sự kết hợp giữa neutrino thứ tư và electron neutrino bình thường.”

Lasserre giải thích rằng thí nghiệm đề xuất này sẽ mang lại sự chắc chắn nhiều hơn về sự tồn tại của một neutrino thứ tư so với những thí nghiệm khác do kích cỡ nhỏ hơn của nguồn neutrino.

“Thật khó khảo sát sự dao động này bằng máy gia tốc bình thường hay các thí nghiệm neutrino lò phản ứng vì chiều dài dao động khá nhỏ (một vài mét đối với các neutrno vài MeV),” ông nói. “Một nguồn neutrino phóng xạ nhỏ gọn mang lại một cánh cửa mới để tìm kiếm những dao động như thế. Nhờ kích cỡ không gian nhỏ của nguồn, thí nghiệm đề xuất của chúng tôi sẽ có khả năng thật sự nhìn thấy hành trạng dao động của tốc độ tương tác phản neutrino là một hàm của bán kính máy dò hạt (như thế là bên trong máy dò!). Không cần phải dựa trên kiến thức về hoạt động nguồn đến dưới phần trăm; chúng tôi đang tìm kiếm một hành trạng dao động tương đối bên trong máy dò.”

Một trong những khó khăn lớn nhất trong mọi thí nghiệm neutrino là việc loại bỏ nền nhiễu, chúng có thể mang lại những tín hiệu giả mạo. Nền nhiễu có thể gây ra bởi môi trường, máy dò hạt, nguồn phản neutrino, hay tấm chắn của nguồn. Do loại sự kiện phân hủy mà các nhà khoa học phân tích (phân hủy beta ngược), liên quan đến một thời gian trễ nhất định, các nhà khoa học giải thích rằng thí nghiệm này sẽ có lợi thế phát hiện hầu như không có nền nhiễu.

Thách thức kĩ thuật lớn nhất của thí nghiệm đã đề xuất là việc tạo ra nguồn phản neutrino và chế tạo một lá chắn kim loại dày bao xung quanh nguồn. Do những thách thức này và đòi hỏi những máy dò cỡ nghìnt ấn, nên việc hiện thực hóa thí nghiệm sẽ đòi hỏi một nỗ lực hợp tác rộng lớn. Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu thương thuyết về việc triển khai một thí nghiệm như thế.

“Tôi đang xin tài trợ để hiện thực hóa nguồn phát và tấm chắn từ phía Ủy ban châu Âu cho giai đoạn 2012-2018,” Lasserre nói. “Ngoài ra, chúng tôi đang thảo luận với những nơi đặt máy dò hạt, đặc biệt với Borexino và KamLAND bày tỏ sự quan tâm trong dự án nguồn mới này. Đầu tháng 12, tôi sẽ có mặt ở Nhật Bản với bốn buổi seminar và thảo luận.”

Tham khảo: Michel Cribier, et al. “Proposed Search for a Fourth Neutrino with a PBq Antineutrino Source.” Physical Review Letters 107, 201801 (2011). DOI: 10.1103/PhysRevLett.107201801

Nguồn: PhysOrg.com