- Amelia Williamson Smith (Symmetry Magazine)
Vào năm 1930, Wolfgang Pauli đề xuất sự tồn tại của một hạt nhỏ bé mới không mang điện. Hạt được nêu trên lí thuyết là rất nhẹ - hoặc có khả năng không hề có khối lượng – và khó tương tác với vật chất. Sau đó, Enrico Fermi đặt tên cho hạt bí ẩn này là “neutrino” (hay “hạt trung hòa bé nhỏ”).
Mặc dù các neutrino cực kì dồi dào, nhưng mất 26 năm thì các nhà khoa học mới xác nhận sự tồn tại của chúng. Trong 60 năm kể từ khi khám phá neutrino, chúng ta đã dần dần hiểu được về hạt vật chất thú vị này.
“Lần nào cũng vậy, có vẻ như cần một hoặc hai thập kỉ thì các nhà khoa học mới đi tới các thí nghiệm để bắt đầu khảo sát tính chất tiếp theo của neutrino,” phát biểu của Keith Rielage, một nhà nghiên cứu neutrino tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos trực thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kì (DOE). “Và một khi làm được rồi, chúng ta thường cảm thấy nhức đầu bởi vì neutrino không chịu hành xử như chúng ta trông đợi. Vì thế, neutrino vốn dĩ là một hạt thú vị ngay từ lúc khởi đầu.”
Ngày nay, chúng ta biết rằng thật ra có ba loại neutrino, hay ba “mùi”: electron, muon và tau. Chúng ta cũng biết rằng neutrino biến đổi, hay “dao động”, giữa ba loại trên khi chúng chuyển động trong không gian. Vì các neutrino dao động, nên ta biết rằng chúng phải có khối lượng.
Tuy nhiên, nhiều câu hỏi về neutrino vẫn còn đó, và việc tìm kiếm câu trả lời thu hút các nhà khoa học và các thí nghiệm trên khắp thế giới.
Bí ẩn của năng lượng còn thiếu
Pauli nghĩ tới neutrino khi ông đang cố giải bài toán bảo toàn năng lượng trong một phản ứng đặc biệt gọi là phân rã beta. Phân rã beta là một cách để một nguyên tử không bền trở nên bền vững hơn – chẳng hạn, bằng cách biến đổi một neutron thành proton. Trong quá trình này, một electron được phát ra.
Nếu neutron chỉ biến đổi thành một proton và một electron, thì năng lượng của chúng sẽ được xác định. Tuy nhiên, các thí nghiệm cho thấy electron không phải luôn xuất hiện với một năng lượng nhất định – thay vậy, các electron biểu hiện cả một ngưỡng năng lượng. Để giải thích ngưỡng này, Pauli giả thuyết rằng trong phân rã beta phải có mặt một hạt trung hòa mà người ta chưa biết tới.
“Nếu có một hạt nữa tham gia trong phân rã beta, thì cả ba hạt sẽ cùng chia sẻ năng lượng ấy, nhưng không phải luôn luôn chia giống nhau,” phát biểu của Jennifer Raaf, một nhà nghiên cứu neutrino tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia Fermi. “Cho nên thỉnh thoảng bạn có thể thu được một electron với năng lượng cao và thỉnh thoảng bạn có thể thu được một electron với năng lượng thấp.”
Vào đầu thập niên 1950, nhà vật lí Los Alamos, Frederick Reines cùng người đồng nghiệp Clyde Cowan của ông đã bố trí thí nghiệm nhằm phát hiện hạt nhỏ bé, trung hòa, tương tác rất yếu này.
Lúc ấy, neutrino được gọi là hạt “ma quỷ” bí ẩn vì chúng có ở xung quanh chúng ta nhưng phần lớn đi thẳng qua vật chất và lấy đi năng lượng trong phân rã beta. Vì lí do này, tìm kiếm của Reines và Cowan nhằm phát hiện neutrino được gọi là “Dự án Yêu quái”.
“Tên gọi có vẻ hợp lí vì về cơ bản họ đang cố gắng thu phục một con ma,” Rielage nói.
Bắt được hạt ma quỷ
“Câu chuyện khám phá neutrino là một câu chuyện hấp dẫn, và vì một số lí do, câu chuyện chỉ có thể xảy ra tại Los Alamos,” Rielage nói.
Toàn bộ câu chuyện bắt đầu vào đầu thập niên 1950. Làm việc tại Los Alamos, Reines đã chỉ đạo một vài dự án thử nghiệm vũ hạt nhân trên Thái Bình Dương, và ông quan tâm đến những câu hỏi vật lí có thể phát sinh từ các vụ thử đó. Một vụ nổ hạt nhân được cho là tạo ra một xung mạnh phản neutrino, và Reines nghĩ tới một thí nghiệm có thể thiết kế để phát hiện một số hạt. Reines thuyết phục Cowan, đồng nghiệp của ông tại Los Alamos, để cùng hợp tác thiết kế một thí nghiệm như vậy.
Ý tưởng ban đầu của Reines và Cowan là đặt một detector chất lỏng nhấp nháy lớn trong một hầm lò ở gần một địa điểm thử vũ khí hạt nhân trong khí quyển, nhưng sau đó họ đi tới một ý tưởng tốt hơn – đặt detector gần một lò phản ứng hạt nhân.
Vì thế, vào năm 1953, Reines và Cowan đã tiến quân về lò phản ứng phân hạch lớn ở Hanford, Washington, cùng với detector 300 lít của họ mệnh danh là “Herr Auge” (tiếng Đức nghĩa là “Nhãn Gia”).
Mặc dù Reines và Cowan thật sự phát hiện được một sự tăng nhẹ trong các tín hiệu giống-neutrino khi lò phản ứng hoạt động so với khi không hoạt động, nhưng tín hiệu nhiễu là quá mạnh. Họ không thể kết luận dứt khoát rằng tín hiệu nhỏ đó có do neutrino hay không. Trong khi việc che chắn detector đã thành công trong việc chặn các neutron và tia gamma đến từ lò phản ứng, thì nó không thể chặn được dòng tia vũ trụ tuôn trào đến từ không gian bên ngoài.
Trong năm sau đó, Reines và Cowan hoàn tất việc thiết kế lại detector của họ thành một cấu trúc ba lớp xếp chồng cho phép họ phân biệt rõ giữa một tín hiệu neutrino và phông nền tia vũ trụ. Vào cuối năm 1955, một lần nữa họ cho triển khai detector 10 tấn mới của họ - lần này bố trí gần lò phản ứng phân hạch tại Nhà máy điện Savannah River ở Nam Carolina.
Trong hơn năm tháng, Reines và Cowan đã thu thập dữ liệu và phân tích các kết quả. Vào tháng 6 năm 1956, họ gửi điện báo cho Pauli. Bức điện báo ghi “Chúng tôi vui mừng báo tin cho ông biết là chúng tôi đã chắc chắn phát hiện ra neutrino.”
Trao đổi điện tín giữa Reines, Cowan và Pauli
Giải quyết bí ẩn neutrino tiếp theo
Vào những năm 1960, một bí ẩn mới liên quan đến neutrino ra đời – lần này tại một mỏ vàng ở Nam Dakota.
Ray Davis, một nhà hóa học hạt nhân tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven thuộc DOE, đã thiết kế một thí nghiệm nhằm phát hiện neutrino sinh ra trong các phản ứng trên mặt trời, còn gọi là neutrino mặt trời. Thí nghiệm sử dụng một detector chlorine lớn đặt sâu một dặm dưới lòng đất trong Mỏ Homestake để che chắn trước các tia vũ trụ.
Năm 1968, thí nghiệm Davis phát hiện các neutrino mặt trời lần đầu tiên, nhưng các kết quả khó lí giải. Nhà thiên văn vật lí John Bahcall đã tính toán thông lượng neutrino đến từ mặt trời – nghĩa là, số lượng neutrino phải được phát hiện trên một diện tích nhất định trong một khoảng thời gian nhất định. Tuy nhiên, thí nghiệm Davis chỉ phát hiện khoảng một phần ba số lượng neutrino được dự đoán. Sự sai lệch này được gọi là “bài toán neutrino mặt trời”.
Thoạt đầu, các nhà khoa học cho rằng có vấn đề gì đó với thí nghiệm Davis hoặc với mô hình mặt trời, nhưng rồi chẳng ai tìm thấy vấn đề nào cả. Dần dần, các nhà khoa học bắt đầu nghi ngờ rằng đó thật sự là một vấn đề với các neutrino.
“Các neutrino luôn khiến chúng ta bất ngờ,” Rielage nói. “Chúng ta nghĩ tới cái dễ thấy trước mắt, nhưng hóa ra không phải vậy.”
Các nhà khoa học đã lí thuyết hóa rằng neutrino có thể dao động, hay biến đổi từ một dạng này sang dạng khác, khi chúng truyền đi trong không gian. Thí nghiệm Davis chỉ nhạy với các neutrino electron, cho nên nếu các neutrino dao động và đi tới Trái đất dưới dạng hỗn hợp gồm ba loại, thì nó giải thích được tại sao thí nghiệm chỉ phát hiện một phần ba trong số chúng.
Năm 1998, thí nghiệm Super-Kamiokande ở Nhật Bản lần đầu tiên phát hiện các dao động neutrino khí quyển. Sau đó, vào năm 2001, Đài thiên văn Neutrini Sudbury ở Canada công bố bằng chứng đầu tiên của các dao động neutrino mặt trời, sau đó là bằng chứng thuyết phục vào năm 2002. Sau hơn 30 năm, các nhà khoa học đã có thể xác nhận rằng các neutrino dao động, như vậy giải quyết được bài toán neutrino mặt trời.
“Thực tế các neutrino dao động là chuyện thú vị, nhưng cái quan trọng mà nó cho chúng ta biết là các neutrino phải có khối lượng,” phát biểu của Gabriel Orebi Gann, một nhà nghiên cứu neutrino tại Đại học California, Berkeley, và Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkley thuộc DOE và nhóm hợp tác SNO. “Điều này có ý nghĩa lớn vì Mô hình Chuẩn không trông đợi rằng neutrino có khối lượng.”
Các bí ẩn vượt ngoài Mô hình Chuẩn
Mô hình Chuẩn – mô hình lí thuyết mô tả các hạt sơ cấp và các tương tác của chúng – không bao hàm một cơ chế cho các neutrino có khối lượng. Việc khám phá dao động neutrino đưa đến một vết nứt nghiêm trọng cho bức tranh nếu không đã cực kì chính xác này của thế giới hạ nguyên tử.
“Cái quan trọng là phanh phui bức tranh này ra và xem những phần nào của nó khớp với kiểm tra thực nghiệm và những phần nào của nó cần có thêm thông tin kiểm chứng,” Raaf nói.
Sau 60 năm nghiên cứu neutrino, một vài bí ẩn vẫn còn đó có thể đem đến những cánh cửa mới mở sang nền vật lí học vượt ngoài Mô hình Chuẩn.
Phải chăng neutrino là phản hạt của chính nó?
Neutrino độc đáo ở chỗ nó có khả năng là phản hạt của chính nó. “Cái duy nhất mà chúng ta biết vào lúc này để phân biệt vật chất với phản vật chất là điện tích,” Orebi Gann cho biết. “Vì thế đối với neutrino, hạt không có điện tích, một câu hỏi hiển nhiên được đặt ra là: đâu là sự khác biệt giữa một neutrino và đối hạt phản vật chất của nó?”
Nếu neutrino không phải là phản hạt của chính nó, thì phải có cái gì khác ngoài điện tích để phân biệt vật chất với phản vật chất. “Hiện nay chúng ta không biết cái đó là gì,” Orebi Gann nói. “Nó sẽ là cái mà chúng tôi gọi một đối xứng mới.”
Các nhà khoa học đang cố gắng xác định xem neutrino có là phản hạt của chính nó hay không bằng cách tìm kiếm các phân rã beta kép không neutrino. Các thí nghiệm tìm kiếm các sự kiện trong đó hai neutron phân rã thành proton đồng thời. Phân rã beta kép trên lí thuyết sẽ tạo ra hai electron và hai phản neutrino. Tuy nhiên, nếu neutrino là phản hạt của chính nó, thì hai phản neutrino có thể hủy lẫn nhau, và chỉ có hai electron xuất hiện sau phân rã.
Một vài thí nghiệm sắp triển khai hoạt động sẽ tìm kiếm phân rã beta kép không neutrino. Trong số này bao gồm thí nghiệm SNO+ ở Canada, thí nghiệm CUORE tại Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso ở Italy, thí nghiệm EXO-200 tại Xưởng Chất thải Phóng xạ ở New Mexico, và thí nghiệm MAJORANA tại Cơ sở nghiên cứu dưới lòng đất Sanford nằm trong khu quặng cũ Homestake ở Nam Dakota (chính khu quặng mà Davis đã tiến hành thí nghiệm neutrino mặt trời nổi tiếng).
Các trạng thái khối lượng neutrino được xếp thứ bậc như thế nào?
Chúng ta biết rằng các neutrino có khối lượng và ba trạng thái khối lượng neutrino hơi chênh lệch một chút, nhưng chúng ta không biết hạt nào nặng nhất và hạt nào nhẹ nhất. Các nhà khoa học đang hướng tới trả lời câu hỏi này thông qua các thí nghiệm nghiên cứu neutrino khi chúng dao động trên những quãng đường xa.
Trong các thí nghiệm này, một chùm neutrino được tạo ra tại một máy gia tốc hạt và được gửi qua lòng đất đến các detector ở xa. Các thí nghiệm đường trường như thế bao gồm thí nghiệm T2K của Nhật Bản, thí nghiệm NovA của Fermilab và Thí nghiệm Neutrino Dưới lòng đất Sâu đã được lên kế hoạch.
Khối lượng tuyệt đối của neutrino là bao nhiêu?
Nhằm cố gắng đo khối lượng tuyệt đối của neutrino, các nhà khoa học đang trở lại với phản ứng ban đầu cho biết sự tồn tại của neutrino – tức phân rã beta. Thí nghiệm KATRIN ở Đức hướng tới đo trực tiếp khối lượng neutrino bằng cách nghiên cứu tritium (một đồng vị của hydrogen) phân hủy qua phân rã beta.
Có nhiều hơn ba loại neutrino hay không?
Các nhà khoa học đã nêu lí thuyết một loạt neutrino khác còn tương tác yếu hơn nữa gọi là neutrino “vô sinh”. Để tìm kiếm bằng chứng của neutrino vô sinh, các nhà khoa học đang nghiên cứu neutrino khi chúng truyền đi trên những chặng đường ngắn.
Là một phần của chương trình neutrino hành trình ngắn tại Fermilab, các nhà khoa học sẽ sử dụng ba detector tìm kiếm neutrino vô sinh: Detector Neutrino Đường cơ sở Ngắn, MicroBooNE và ICARUS (một detector trước đây hoạt động tại Gran Sasso). Gran Sasso cũng sẽ cho triển khai một thí nghiệm gọi là SOX sẽ tìm kiếm neutrino vô sinh.
Các neutrino có vi phạm “đối xứng điện tích chẵn lẻ (CP)” hay không?
Các nhà khoa học cũng đang sử dụng các thí nghiệm đường cơ sở dài để tìm kiếm cái gọi là sự vi phạm đối xứng CP. Nếu lúc Big Bang vật chất và phản vật chất được tạo ra với lượng ngang nhau, thì nó đã phân hủy hết. Bởi vì vũ trụ chứa vật chất, cho nên phải có cái gì đó đã làm cho có nhiều vật chất hơn phản vật chất. Nếu neutrino vi phạm đối xứng CP, thì nó có thể giúp giải thích tại sao có nhiều vật chất hơn.
“Chưa có hết các câu trả lời về neutrino là cái khiến nó hấp dẫn,” Rielage nói. “Các vấn đề còn đó rất thách thức, và chúng tôi thường nói đùa rằng nếu hàng ngon thì hẳn thiên hạ đã xơi tái hết rồi. Nhưng đó là cái khiến tôi thích thú – chúng ta thật sự phải suy nghĩ ra ngoài khuôn khổ trong việc đi tìm các câu trả lời đó.”
Những cột mốc chính trong lịch sử nghiên cứu neutrino
1930: Wolfgang Pauli đề xuất sự tồn tại của neutrino để giải thích vấn đề bảo toàn năng lượng trong phân rã beta.
1934: Enrico Fermi đề xuất một lí thuyết bao hàm hạt giả thuyết của Pauli mà ông đặt tên là “neutrino” (tiếng Italy nghĩa là “hạt trung hòa bé nhỏ”).
Hans Bethe và Rudolf Peierls tính được xác suất neutrino tương tác với vật chất là cực kì nhỏ và kết luận rằng không có cách nào thực tiễn quan sát được neutrino.
1956: Một đội khoa học dưới sự chỉ đạo của các nhà vật lí Frederick Reines và Clyde Cowan quan sát thấy bằng chứng đầu tiên của neutrino bằng cách dò tìm các phản neutrino electron sinh ra bởi lò phản ứng hạt nhân tại Nhà máy điện Savannah River.
1957: Bruno Pontecorvo nêu lí thuyết rằng các neutrino có thể dao động, hay biến đổi từ dạng này sang dạng khác.
1958: Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven xác định được rằng luôn luôn thuận trái (chiều spin của chúng ngược với chiều chuyển động của chúng).
1962: Một đội khoa học dưới sự chỉ đạo của Leon Lederman, Mel Schwartz và Jack Steinberger khám phá sự tồn tại của một loại neutrino thứ hai, neutrino muon, trong một thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven.
1968: Nhà hóa học Ray Davis là người đầu tiên phát hiện các neutrino electron do mặt trời sinh ra. Tuy nhiên, thí nghiệm của ông tại khu mỏ Homestake chỉ phát hiện một phần ba số lượng neutrino mặt trời đã dự đoán, đưa đến “bài toán neutrino mặt trời”.
1973: Các nhà khoa học thuộc nhóm hợp tác Gargamelle tại CERN lần đầu tiên quan sát thấy sự tán xạ dòng trung hòa của một neutrino khỏi một electron, chỉ dấu sự tồn tại của một hạt mang lực mới, sau này được khám phá là boson Z.
1975: Sự tồn tại của neutrino tau được nêu ra sau khi Martin Perl và các đồng sự tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC lần đầu tiên phát hiện lepton tau tích điện.
Thí nghiệm Kamiokande
1985: Nhóm hợp tác Kamiokande ở Nhật Bản và nhóm hợp tác IMB ở Mĩ phát hiện các neutrino khí quyển, chúng được tạo ra khi tia vũ trụ tương tác với các hạt trong khí quyển. Tuy nhiên, các thí nghiệm phát hiện tỉ số neutrino muon trên neutrino electron nhỏ hơn dự đoán, đưa đến bài toán “dị thường neutrino khí quyển”.
1987: Các nhóm hợp tác Kamiokande và IMB lần đầu tiên phát hiện các neutrino được phát ra bởi một ngôi sao đang bùng nổ, Sao siêu mới 1987A.
1988: Leon Lederman, Mel Schwartz, và Jack Steinberger cùng chia Giải Nobel Vật lí cho khám phá neutrino muon.
1989: Các nhà khoa học tại CERN và Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC công bố bằng chứng rằng chỉ có thể có ba loại neutrino (electron, muon và tau).
1995: Frederick Reines chia giải Nobel Vật lí cho khám phá neutrino electron.
1998: Nhóm hợp tác Super-Kamiokande ở Nhật Bản công bố bằng chứng đầu tiên của các dao động neutrino, hàm ý rằng neutrino có khối lượng. Thí nghiệm cho thấy sự biến mất của các neutrino muon khí quyển khi chúng truyền từ điểm nguồn đến một detector dưới lòng đất.
2000: Các nhà khoa học tại thí nghiệm DONUT ở Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia Fermi là những người đầu tiên quan sát thấy loại neutrino thứ ba, neutrino tau.
2001: Nhóm hợp tác SNO ở Canada công bố bằng chứng đầu tiên của dao động neutrino mặt trời.
2002: Nhóm hợp tác SNO ở Canada công bố bằng chứng thuyết phục của dao động neutrino mặt trời.
Ray Davis và Masatoshi Koshiba cùng chia Giải Nobel Vật lí cho phát hiện đầu tiên của các neutrino có nguồn gốc vũ trụ.
2004: Nhóm hợp tác KamLAND ở Nhật Bản công bố bằng chứng của sự xuất hiện lại phản neutrino electron khi ghi nhận các phản neutrino được tạo ra bởi một lò phản ứng hạt nhân, một chỉ dấu của dao động phản neutrino.
2005: Nhóm hợp tác KamLAND công bố phát hiện đầu tiên của neutrino địa cầu, tức các neutrino được tạo ra bên trong Trái đất.
2010: Nhóm hợp tác OPERA tại Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso ở Italy là nhóm đầu tiên phát hiện neutrino tau trong một chùm neutrino muon. Neutrino muon đã dao động trên đường đi của nó từ CERN đến Gran Sasso.
2015: Takaaki Kajita thuộc thí nghiệm Super-Kamiokande và Arthur McDonald thuộc thí nghiệm SNO chia Giải Nobel Vật lí cho những đóng góp của họ trong việc phát hiện các dao động neutrino.
Nguồn: Symmetry Magazine
