Neutrino – Mảnh ghép mong manh của Mô hình Chuẩn (Phần 1)

Trong những năm qua, các nhà khoa học cho rằng các neutrino ăn khớp hoàn hảo với Mô hình Chuẩn. Nhưng thật ra không phải. Bằng cách tìm hiểu kĩ hơn những hạt kì lạ, hay lảng tránh này, các nhà khoa học muốn tìm hiểu rõ hơn sự vận hành của toàn bộ vũ trụ.

• Joseph Piergrossi (Symmetry Magazine)

Ảnh: Sandbox Studio, Chicago

Các chuyển động nhanh hơn ánh sáng.

Các nhà vật lí đã tốn rất nhiều thời gian tìm hiểu tính chất của những hạt vô hình này. Vào năm 1962, họ phát hiện ra rằng các neutrino xuất hiện có nhiều hơn một loại, hay mùi. Vào cuối thế kỉ 20, các nhà khoa học đã nhận ra ba mùi – neutrino electron, neutrino muon và neutrino tau – và đã tiến hành sự khám phá kì lạ rằng các neutrino có thể đổi mùi trong một quá trình gọi là dao động. Thực tế bất ngờ này tiêu biểu cho một cuộc cách mạng trong vật lí học – những tương tác hạt đầu tiên được biết cho thấy nền vật lí vượt ngoài Mô hình Chuẩn, khuôn khổ lí thuyết cực kì thành công mà các nhà vật lí đã xây dựng trong hàng thập niên qua để giải thích các hạt và các tương tác của chúng.

Hiện nay, các nhà khoa học đang tăng tốc trong những nghiên cứu neutrino mới có thể mang đến câu trả lời cho một số câu hỏi lớn:

• Nếu bạn có thể đặt neutrino lên bàn cân, thì chúng sẽ cân nặng bao nhiêu?
• Các neutrino có là phản hạt riêng của chúng hay không?
• Có nhiều hơn ba loại neutrino hay không?
• Cơ chế các neutrino thu khối lượng có giống với những hạt sơ cấp khác hay không?
• Tại sao trong vũ trụ có nhiều vật chất hơn phản vật chất?

Câu trả lời cho những câu hỏi này không những mang lại một cửa sổ nhìn vào nền vật lí vượt ngoài Mô hình Chuẩn, mà còn mở ra cánh cửa trả lời những câu hỏi về vũ trụ suốt chặng đường từ lúc khai sinh của nó.

Tự nhiên và máy móc

Khi tiến hành nghiên cứu tìm kiếm neutrino, các nhà khoa học có ba sự lựa chọn.

Thứ nhất, họ có thể tóm bắt những neutrino xuất hiện tự nhiên, ví dụ như những neutrino sinh ra bởi các phản ứng hạt nhân trong những ngôi sao như mặt trời, trong sự va chạm của các hạt vũ trụ với khí quyển Trái đất hoặc trong những vụ nổ sao gọi là sao siêu mới. Những ngôi sao giống như mặt trời của chúng ta tạo ra các neutrino mùi electron, còn những hạt vũ trụ và sao siêu mới thì tạo ra một túi hỗn hợp gồm cả ba mùi neutrino và những phản hạt của chúng.

Thứ hai, các nhà khoa học có thể nghiên cứu những neutrino sinh ra trong các lò phản ứng hạt nhân cấp điện cho các hộ gia đình và doanh nghiệp. Lò phản ứng tạo ra các phản neutrino mùi electron. Các thí nghiệm nghiên cứu neutrino từ loại nguồn này đòi hỏi xây dựng một máy dò hạt ở gần nhà máy điện hạt nhân và thu được những thông tin vô giá về neutrino và sự tương tác của chúng với vật chất.

Cuối cùng, các nhà khoa học có thể làm sản sinh neutrino một cách có cân nhắc trong các thí nghiệm bằng cách bắn proton từ một máy gia tốc hạt vào những mảnh graphite hoặc những tấm bia tương tự, khi đó chúng phát ra những loại neutrino đặc trưng. Các thí nghiệm máy gia tốc có ưu điểm là có thể khảo sát hoặc neutrino hoặc phản neutrino. Những chùm hạt cường độ mạnh do máy gia tốc tạo ra làm tăng khả năng cho tương tác neutrino xảy ra trong máy dò. Ngoài ra, các máy gia tốc còn tạo ra những neutrino có năng lượng cao hơn neutrino đến từ lò phản ứng và từ mặt trời. Như thế khiến các thí nghiệm máy gia tốc cực kì có giá trị trong việc khảo sát bản chất của neutrino.

Hai loại nguồn neutrino nhân tạo còn có một ưu điểm nữa: Các máy dò có thể được đặt cách nguồn những khoảng cách nhất định, tùy thuộc vào loại khoa học đang khảo sát. Khoảng cách tối ưu có thể biến thiên từ hàng chục mét đến vài trăm kilo mét đối với các thí nghiệm lò phản ứng và hàng trăm nghìn kilo mét đối với các thí nghiệm dao động đường cơ sở dài sử dụng neutrino từ máy gia tốc phát ra.

Ví dụ, Thí nghiệm Neutrino Đường cơ sở Dài (LBNE) đã được lên kế hoạch, sẽ sử dụng một máy gia tốc hiện có tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia Fermi ở Mĩ, sẽ có một máy dò đặt tại nơi mà cựu phát ngôn viên LBNE Bob Svoboda gọi là “điểm ngọt” – một nơi chỉ vừa đủ xa để các neutrino sẽ gần đạt tới sự pha trộn tối đã của những mùi của chúng vào lúc chúng đi tới máy dò. “Từ đây, chúng ta có thể tìm hiểu rất nhiều thứ về cách neutrino biến đổi,” giáo sư Svoboda nói. Và vì LBNE sẽ tạo ra neutrino lẫn phản neutrino, nên các nhà vật lí có thể khảo sát những khác biệt giữa những tương tác vật chất và phản vật chất và đây là cái có ý nghĩa cho sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ của chúng ta.

Tóm lấy chúng nếu bạn có thể

Các máy dò neutrino còn đa dạng về mùi neutrino nữa. Vì bản thân các neutrino là vô hình trước máy dò, nên các nhà khoa học phải chọn hướng tiếp cận gián tiếp: Họ ghi lại vết tích của những hạt tích điện và những lóe sáng được tạo ra khi một neutrino va chạm với một nguyên tử, và từ đó suy luận ra sự có mặt của neutrino.

Vì hạt neutrino nhỏ xíu hiếm khi tương tác với vật chất, nên cách duy nhất phát hiện ra nó là đặt rất nhiều vật chất trên đường đi của nó. Super-Kamiokande, một máy dò neutrino nay đã là kinh điển ở Nhật Bản, chứa đầy 50.000 tấn nước. Các neutrino – sinh ra trong khí quyển Trái đất, đến từ mặt trời và được tạo ra bởi một máy gia tốc ở cách đó 295 km – tương tác với các phân tử nước và tạo ra những hạt tích điện. Rồi những hạt này tạo ra những lóe sáng màu xanh gọi là bức xạ Cherenkov. Các bộ cảm quang đặt bên trong bể nước thu và ghi lại lóe sáng đó.

Máy dò neutrino mới NovA, hiện đang xây dựng ở Ash River, Minnesota, Mĩ, tiến bộ hơn công nghệ SuperK. Thay cho nước, NovA sẽ sử dụng chất lỏng nhấp nháy – một hóa chất lóe sáng khi các hạt đi qua – để quan sát các neutrino đi tới máy dò từ Fermilab, ở xa chừng 800 km. Dài hơn 60 m và cao 15 m, NovA sẽ là một trong những cấu trúc plastic lớn nhất trên thế giới.

Thay vì sử dụng một bể lớn chứa đầy chất lỏng, máy dò NovA được chia nhỏ làm nhiều phần để lượm lặt nhiều thông tin về nhân dạng và năng lượng của mỗi neutrino tới. 14.000 tấn chất lỏng nhấp nháy sẽ được chia ra cho hàng trăm nghìn ống nhựa PVC, theo Pat Lukens, một người quản lí dự án cho thí nghiệm trên. Khi một neutrino va chạm với một hạt nhân trong máy dò, tạo ra những hạt tích điện và những lóe sáng, các nhà nghiên cứu sẽ có thể biết chính xác tương tác đó xảy ra ở đâu và các hạt đã đi theo đường nào.

Một công nghệ khác thu lượm nhiều thông tin hơn về các tương tác neutrino là một mạng lưới dây nhợ dìm trong một máy dò hạt chất lỏng. Đặt dưới điện áp cao, những sợi dây đó hút lấy các hạt tích điện xuất hiện khi các neutrino tương tác với chất lỏng. Kĩ thuật này, được sử dụng trong máy dò neutrino ICARUS ở Italy, cho biết đường đi chính xác của những hạt tích điện sinh ra khi các neutrino tương tác trong argon lỏng. Đối với máy dò LBNE lớn hơn, đặt tại Sanford Lab ở Nam Dakota, các nhà khoa học đang thiết kế thế hệ tiếp theo của loại máy dò này.

Những bước tiếp theo

Kết quả của những thí nghiệm neutrino trong thời gian gần đây đã mở ra cánh cửa mới tìm hiểu nhiều hơn về neutrino và tập tính của chúng. Vào năm 2011, các nhà nghiên cứu đã chính thức khai thác bộ máy dò hạt đầu tiên tại Thí nghiệm Neutrino Lò phản ứng Vịnh Đại Á ở miền nam Trung Quốc, hi vọng thực hiện một phép đo chủ chốt sẽ giúp họ hiểu được làm thế nào một loại neutrino biến thành loại kia.

Vào tháng 3 năm 2012, chỉ sau bảy tháng thu thập dữ liệu, các nhà khoa học Đại Á đã công bố thành công: Họ đã làm được phép đo theta-13, một trong ba cái gọi là “góc hợp” mô tả sự dao động của các neutrino giữa mùi này và mùi kia. Những thí nghiệm trước đây cho thấy theta-13 phải là nhỏ, và các nhà khoa học đã bắt đầu nghi vấn liệu góc hợp có thể bằng zero hay không. Kết quả Đại Á, kết hợp với những phép đo neutrino khác ở Nhật Bản, Hàn Quốc, Pháp và Mĩ, cho thấy góc hợp đó là nhỏ, nhưng chắc chắn không bằng zero.

Khi cỡ của góc hợp đó được công bố, các nhà vật lí neutrino trên khắp thế giới đã hoan nghênh đón nhận. Kết quả đó mở ra khả năng rằng neutrino hành xử khác với phản neutrino, thành ra có thể giúp lí giải sự át trội của vật chất so với phản vật chất trong vũ trụ.

Thành công này để lại các nhà khoa học một vị thế tốt để tìm hiểu thêm về một trong những hạt dồi dào nhất và bí ẩn nhất trong vũ trụ. Các thí nghiệm dao động neutrino mới đã có triển vọng đạt tới mục tiêu của chúng, theo lời nhà lí thuyết Boris Kayser tại Fermilab. Sử dụng kết quả theta-13, họ có thể xác định khối lượng neutrino và tìm hiểu xem các tương tác neutrino có vi phạm sự đối xứng vật chất-phản vật chất hay không. Đây là những bước quan trọng hướng đến tìm hiểu liệu neutrino có là nguyên nhân cho sự át trội của vật chất so với phản vật chất trong vũ trụ của chúng ta hay không.

Câu hỏi khó trả lời nhất, theo Kayser, là “Những cái chưa biết chưa biết đó là cái gì?”. Trong khi các nhà vật lí đã có một số suy nghĩ loáng thoáng về cái họ sẽ nhìn thấy, thì các neutrino hết lần này đến lần khác chứng minh rằng chúng rất khó dự đoán trước. Biết được bản chất kì lạ của chúng, thì toàn bộ khả năng rằng neutrino có thể giữ nhiều bất ngờ hơn nữa cho các nhà khoa học đã nằm gọn trong tay.

>> Xem tiếp Phần 2

Trần Nghiêm dịch