- Alan Watson (Physics World, tháng 8/2012)
Một thế kỉ đã trôi qua kể từ khi khám phá ra tia vũ trụ, trong bài Alan Watson liên hệ cách các nhà vật lí đã dần dần làm sáng tỏ bản chất của những đối tượng bí ẩn này, và đánh giá sự tiến bộ trong việc tìm hiểu nơi những tia vũ trụ này phát sinh và tại sao chúng có năng lượng cao như thế.
100 năm nghiên cứu tia vũ trụ. Ảnh: Claus Lunau/Science Photo Library
Đầu tháng 8 này, hơn 100 nhà vật lí sẽ gặp mặt để tôn vinh nhà khoa học người Áo Victor Hess, người đã khám phá ra tia vũ trụ hồi 100 năm trước. Công trình của Hess, nhờ đó ông được trao Giải Nobel Vật lí năm 1936, diễn ra trong một chuyến bay khí cầu không khí nóng mang tính lịch sử, tiếp đất ở Bad Saarow-Pieskow gần Berlin, nơi sẽ diễn ra hội nghị năm nay. Với số liệu do Hess thu thập ở những độ cao lên tới hơn 5 km, ông kết luận rằng vũ trụ - và không riêng gì Trái đất – là nguồn gốc của những hiệu ứng bí ẩn mà các nhà vật lí đã và đang vật lộn để tìm hiểu.
Với các tia vũ trụ trút mưa hạt ở những năng lượng cao hơn năng lượng có thể thu được tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) tại CERN, nghiên cứu tia vũ trụ hóa ra là một lĩnh vực nghiên cứu màu mỡ, đồng hành với sự phát triển của ngành vật lí hạt. Và việc nghiên cứu tia vũ trụ không chỉ trả lời những câu hỏi về vật chất trên Trái đất này, mà chúng còn vươn xa vào trong vũ trụ để cho chúng ta biết về vũ trụ ở quy mô lớn.
Một trong những nỗ lực chính nhằm vén màn bí ẩn tia vũ trụ còn đó là tại Đài thiên văn Pierre Auger ở Argentina, máy dò tia vũ trụ lớn nhất từng được xây dựng. Do Jim Cronin và tôi thai nghén trong đầu hồi năm 1991, mục tiêu của dự án trên là khám phá nguồn gốc của những tia vũ trụ năng lượng cao nhất. Mục tiêu này đòi hỏi xây dựng máy dò tia vũ trụ “tối hậu”, có khả năng đo hướng và năng lượng của các hạt trên mức 1018 eV với độ chính xác chưa có tiền lệ.
Để theo đuổi giấc mơ của mình, Cronin và tôi đã thuyết phục các nhà khoa học hàng đầu từ 12 quốc gia cùng tham gia với chúng tôi – một nỗ lực hợp tác đã dẫn tới việc xây dựng đài thiên văn của chúng tôi trên vùng đất xinh tươi nằm gần thị trấn Malargüe thuộc tỉnh Mendoza, gần kề dãy Andes. Chúng tôi chọn địa điểm đó vì nó cho chúng tôi truy xuất không ràng buộc cánh đồng bằng phẳng, tựa sa mạc – chúng tôi cần 3000 km, hay chừng bằng diện tích của Rhode Island – và vì nó có bầu trời trong xanh mà chúng tôi muốn có cho một trong hai phương pháp dò hạt của chúng tôi. Địa điểm lí tưởng này, cộng với món thịt cá nướng nổi tiếng và rượu Malbec, đã đưa đến một chương trình hợp tác rất có thành tựu hiện nay bao gồm khoảng 400 nhà khoa học đến từ 120 trường viện ở 18 nước.
Máy dò Cherenkov bằng nước (phải) và máy dò huỳnh quang (trái) dùng để phát hiện ra những trận mưa không khí khổng lồ kích hoạt bởi những tia vũ trụ năng lượng rất cao tại Đài thiên văn Pierre Auger ở Argentina. (Ảnh: Đài thiên văn Pierre Auger)
Bằng cách tiến hành các thí nghiệm tại đài thiên văn trên, đài đã bắt đầu thu thập dữ liệu từ năm 2004, chúng tôi đã suy ra các kết quả với ý nghĩa thiên văn vật lí quan trọng đồng thời có ý nghĩa vật lí hạt, ở những năng lượng cao hơn tầm với của LHC. Cho đến nay, tia vũ trụ năng lượng cao nhất quan sát thấy có động năng bằng vài lần 1020 eV – gần bằng năng lượng của một quả bóng tennis do Andy Murray đập vợt. Nếu ta tưởng tượng có một cuộc chạy đua trên quãng đường một năm ánh sáng giữa một chùm ánh sáng, một tia vũ trụ 1020 eV và một proton CERN 7 TeV (kế hoạch cho năm 2014), thì tia vũ trụ sẽ đến trễ hơn tia sáng tại vạch đích chỉ khoảng một phần trăm của đường kính của một sợi tóc người, còn proton CERN sẽ bị bỏ lại đằng sau một khoảng gấp hơn bốn lần khoảng cách đến Mặt trăng.
Tất nhiên, trong khi các tia vũ trụ năng lượng cao nhất sẽ luôn luôn nằm ở tiền tuyến năng lượng, nhưng các nhà nghiên cứu không thể hi vọng sánh với cường độ của các chùm hạt CERN hay độ chính xác của những phép đo được tiến hành ở đó. Nhưng trong cả hai lĩnh vực chúng ta đã tiến một chặng đường dài đến bất ngờ kể từ chuyến bay khí cầu mạo hiểm của Hess hồi năm 1912.
Con đường dẫn tới khám phá
Câu chuyện tia vũ trụ bắt đầu vào thập niên 1780, khi nhà vật lí người Pháp Charles-Augustin de Coulomb để ý thấy một quả cầu tích điện có khả năng tự phát mất điện tích của nó. Hiện tượng này không có nghĩa lí gì đối với Coulomb hay những người đương thời của ông vì lúc ấy không khí được xem là một chất cách điện. Câu hỏi đặt ra là, điện tích đã rời khỏi quả cầu như thế nào? Các nhà khoa học kết luận rằng không khí phải có một độ dẫn điện nào đó, nhưng chỉ rất muộn sau này, sau khi khám phá ra electron (1894), tia X (1895) và sự phóng xạ (1896), các nhà khoa học mới bắt đầu hiểu rằng không khí thật sự trở nên dẫn điện khi các phân tử bị ion hóa bởi các hạt tích điện và tia X.
Tuy nhiên, một câu đố nữa sớm phát sinh. “Điện nghiệm”, lúc ấy là một thiết bị dùng phổ biến, cho phép các nhà thực nghiệm đo tốc độ sản sinh ion trong không khí bằng cách đo một vật dẫn tích điện mất điện tích của nó nhanh bao nhiêu. Tuy nhiên, cái các nhà vật lí không ngờ tới là điện nghiệm mất điện tích của nó ngay cả khi được che chắn bởi khối chì lớn. Người ta biết rằng tia X và các tia bức xạ phát ra từ các nguồn phóng xạ không thể đi qua một rào cản như thế, cho nên làm thế nào không khí bên trong lớp chắn chì có thể trở nên bị ion hóa vẫn là một bí ẩn.
Trước khi có khám phá của Hess, đã có nhiều tranh luận về đề tài này và thật ra có thể cho rằng C T R Wilson, người có dụng cụ buồng bọt mang tên ông đã trở thành công cụ chính dùng cho nghiên cứu tia vũ trụ, là nhà vật lí tia vũ trụ đầu tiên. Vào năm 1901, Wilson đề xuất rằng “sự sản sinh liên tục của các ion… có thể giải thích là do bức xạ từ các nguồn nằm bên ngoài khí quyển của chúng ta, có khả năng là bức xạ giống như tia Röntgen hay tia cathode, nhưng có sức đâm xuyên lớn hơn rất nhiều”. Để kiểm tra giả thuyết của ông, Wilson đã lấy một điện nghiệm đến hầm xe lửa ở miền nam Edinburgh, trông mong tốc độ phóng điện bên trong đó chậm hơn nhiều, ông lí giải rằng lớp đất đá xung quanh sẽ hấp thụ bức xạ ngoài địa cầu như đã giả thuyết. Tuy nhiên, tốc độ phóng điện vẫn cứ cao và vì thế Wilson và những người khác bỏ rơi quan điểm cho rằng bức xạ đó đến từ bên ngoài khí quyển của chúng ta, thay vậy ông kết luận rằng sự ion hóa là một tính chất của bản thân không khí. (Họ không nhận ra rằng đá có một độ phóng xạ cao, và sự phóng xạ dễ dàng làm che mất sự suy giảm tốc độ sản sinh ion như đã xảy ra.)
Những hướng nghiên cứu khác bao gồm việc thử thoát ra khỏi bức xạ địa cầu bằng cách đi lên cao khỏi mặt đất. Một số nhà nghiên cứu đã sử dụng các khí cầu không người lái để mang các điện nghiệm lên trên trời, trong khi Đức cha Theodor Wulf, một linh mục người Đức, còn so sánh tốc độ phóng điện ở đỉnh và ở chân Tháp Eiffel. Tuy nhiên, trong tất cả những trường hợp đó, các kết quả đều không có sức thuyết phục.
Victor Hess đứng trong rỗ khí cầu của ông. Ông đã có chuyến bay khí cầu lịch sử vào hôm 7 tháng 8 năm 1912. (Ảnh: Science Photo Library)
Bước đột phá cuối cùng đã đến từ Hess, một nhà vật lí người Áo đam mê bay bằng khí cầu. Từ năm 1911 đến 1912, Hess đã thực hiện một loạt chuyến bay mọ hiểm cùng với hai đồng sự, mang những điện nghiệm nhạy lên những độ cao mỗi lúc một lớn hơn. Các khí cầu của ông chứa đầy hydrogen và vì lượng khí dồi dào đó có sản xuất tại thành phố Aussig ở Sudetenland (nay thuộc Cộng hòa Czech), nên các chuyến bay của ông khởi hành từ địa điểm gần đó. Người ta chỉ có thể đoán chừng không biết ông có thực hiện được khám phá của mình hay không nếu các chuyến bay đó diễn ra theo luật định và quy định an toàn sức khỏe hiện nay.
Vào ngày 7 tháng 8 năm 1912, đúng một thế kỉ trước trong tháng này, khí cầu của Hess đã bay lên cao hơn 5000m. Ông tìm thấy rằng, trong khi tốc độ ion hóa ban đầu giảm, tại độ cao cực đại nó gấp ba lần mức ion hóa tại đất. “Các kết quả quan sát của tôi,” Hess kết luận, “được giải thích tốt nhất bởi giả thuyết rằng có một bức xạ có sức đâm xuyên rất lớn từ phía trên đi vào khí quyển của chúng ta.” Các nhà vật lí Đức đã gọi bức xạ này là "Kosmische Strahlung", với tên gọi tiếng Anh “comic rays” (tia vũ trụ) có từ khi nhà vật lí người Mĩ Robert Millikan đặt ra cụm từ đó vào năm 1925.
