Các neutrino là những hạt khó bắt được vì vậy cũng rất khó để nghiên cứu về chúng, tuy nhiên chúng có thể lý giải những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ. Sử dụng các máy gia tốc để tạo chùm neutrino, các nhà khoa học đang vén bức màn bí mật của neutrino.
Neutrino là một trong số những hạt phong phú nhất trong vũ trụ, nhưng chúng hiếm khi tương tác với vật chất. Một trong số những bí ẩn của khoa học ngày nay, chẳng hạn như tại sao có nhiều vật chất hơn phản vật chất trong vũ trụ, có thể được lý giải nhờ vào sự nghiên cứu neutrino cũng như sự tương tác của nó với vật chất.
Hàng tỉ neutrino có nguồn gốc từ tự nhiên, bao gồm cả mặt trời, xuyên qua mỗi centimet vuông trên bề mặt của trái đất trong mỗi giây. Các nhà khoa học cũng không dễ dàng gì xác định được loại neutrino hoặc chính xác là chúng đã đi bao xa trước khi chạm vào detector.
Để nghiên cứu các hiệu ứng của neutrino, các nhà khoa học tạo ra chùm neutrino có mật độ cao bằng cách gia tốc proton. Chỉ có một vài phòng thí nghiệm trên thế giới có thể tạo ra chùm neutrino: phòng thí nghiệm J-PARC ở Nhật, trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu CERN và phòng thí nghiệm quốc gia Fermi ở Mỹ. Cứ mỗi 2 giây, ở phòng thí nghiệm Fermilab gửi ra hàng triệu tỉ neutrino đến detector ở phía bắc Minnesota, cách đó hơn 450 dặm. Chùm tia này tạo ra khoảng hàng ngàn tương tác neutrino mỗi năm trong các detetor.
Các nhà khoa học tạo ra chùm neutrino mật độ cao bắt đầu với một khối các proton từ chai khí hydro. Họ gia tốc mỗi khối gần với tốc độ ánh sáng và bắn vào bia, thường được làm từ graphite hoặc beryllium. Các proton đập vỡ các hạt nhân nguyên tử trong bia và tạo ra các hạt mới, trong đó có những hạt pion có thời gian sống ngắn - nguồn của neutrino và phản neutrino.
Một horns (hình phễu có nhánh, có thể lọc các hạt mạng điện âm và điện dương (ND)) hội tụ mạnh, tạo ra từ trường mạnh, tính hội tụ cao làm chuyển hướng các pion vì vậy tất cả chúng đều di chuyển với cùng một hướng, tạo ra dòng rộng hàng mét của cả pion mang điện tích dương lẫn pion mang điện tích âm. Các pion mang điện dương có thời gian sống cỡ 1 phần giây, chúng phân rã thành phản muon và neutrino muon, với thời gian sống cũng tương đương, các pion mang điện âm phân rã thành muon và phản neutrino muon.
Một khối bê tông nhôm, thép là bước cuối cùng trong quá trình tạo ra các chùm neutrino thuần túy (hoặc phản neutrino). Các khối bê tông sẽ chặn và hấp thụ tất cả các hạt ngoại trừ các hạt giống neutrino hoặc phản neutrino, những hạt đi qua mà không thay đổi gì.
Chùm neutrino và phản neutrino giữ vai trò quan trọng trong các thí nghiệm vật lý hạt. Chúng giúp các nhà khoa học nghiên cứu sự tương tác của neutrino với các hạt khác, khám khá ra cơ chế dao động của neutrino (neutrino loại này có thể biến thành neutrino loại khác (ND)), xác định các thuộc tính khác nhau giữa neutrino và phản neutrino, đo độ lệch khối lượng giữa 3 loại hạt neutrino, tìm kiếm những loại hạt neutrino mới có thể được tạo ra từ quá trình dao động neutrino.
Các nhà khoa học đã tạo ra chùm neutrino bằng cách gia tốc chùm proton từ cách đây hơn 50 năm. Năm 1961, một thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Brookhaven đã mang về giải Nobel cho công trình khám phá ra neutrino muon.
Trong tương lai, các nhà khoa học hy vọng sẽ tạo ra chùm neutrino tốt hơn bằng cách sử dụng muon thay vì pion. Các muon nặng hơn electron. Khi nó phân rã, nó tạo ra cả muon và phản neutrino electron. Một đề xuất, gọi là nusTORRM , mục đích là tạo ra chùm neutrino từ phân rã muon. Do thời gian sống của muon gấp 100 lần pion, nên chúng dễ dàng được gia tốc, tập trung cao, nhưng chúng cũng đi được quãng xa hơn trước khi phân rã. Thách thức là làm thế nào để tạo ra và thu thập đủ muon, đẩy chúng và chứa chúng trong máy gia tốc cho đến khi sự phân rã xuất hiện.
Cũng có những cách khác để để tạo ra chùm tia neutrino mà không cần phải gia tốc. Năm 1956, Clyde Cowan và Frederick Reines sử dụng phản ứng hạt nhân tại lò phản ứng Savannah để khám phá phản neutrino electron. Khác với phương pháp gia tốc hạt, có thể tạo ra cả neutrino và phản neutrino, trong phản ứng hạt nhân, chỉ có phản neutrino được tạo ra và chỉ có một loại là phản neutrino electron. Điều này thật hoàn hảo cho thí nghiệm chẳng hạn như thí nghiệm Vịnh Đại Á ở Trung Quốc, thí nghiệm kiểm tra dao động của phản neutrino electron ở khoảng cách ngắn.
Với những thí nghiệm dao động neutrino gửi chúng đi xa hàng trăm kilomet xuyên qua trái đất, thì các lò phản ứng hạt nhân là không khả thi. Không giống như chùm neutrino tập trung cao được tạo ra bởi máy gia tốc, các phản neutrino đến từ lõi của lò phản ứng hạt nhân di chuyển theo mọi hướng, giống như ánh sáng tỏa ra mọi hướng từ một bóng đèn.
Một vài nhà khoa học đã dự tính những cách để sử dụng khoa học neutrino cho những ứng dụng khác. Có lẽ neutrino sẽ trở thành phương tiện truyền thông trong tương lai cho những nơi mà sóng radio không thể đến, chẳng hạn như tàu ngầm sâu dưới đáy đại dương hoặc những vệ tinh đi qua phía bên kia của mặt trăng. Điều này đòi hỏi phải có những chùm neutrino tốt hơn và những detetor neutrino siêu nhạy.
Hồi đầu năm nay, một nhóm nhà khoa học đã chỉ ra làm thế nào thực hiện được công việc này. Họ sử dụng chùm neutrino tại Fermilab để gửi đi một thông điệp ngắn, đã mã hóa, đi xuyên 240 mét trong đá. Sử dụng detector MINERvA, các nhà khoa học đã bắt được và giải mã thông điệp đó với dòng chữ “Neutrino”. Để gởi thông điệp đơn giản này qua 240 mét đòi hỏi chùm tia neutrino phải mạnh và mất khoảng 90 phút.
Một ngày nào đó các nhà khoa học có thể sẽ khám phá ra các công nghệ hiệu quả hơn để khai thác sức mạnh của các neutrino theo những phương thức mới và thú vị.
Nguồn: Jessica Orwig (Symmetry Magazine)
