Neutrino là những hạt sơ cấp được khám phá lần đầu tiên cách nay sáu thập kỉ.
Theo năm tháng, các nhà khoa học biết thêm vài điều bất ngờ về chúng. Nhưng họ vẫn chưa trả lời được cái nghe na ná một câu hỏi cơ bản: Các neutrino nặng bao nhiêu? Câu trả lời có thể là chìa khóa để tìm hiểu bản chất của các hạt lạ và bản chất của vũ trụ của chúng ta.
Để hiểu tại sao việc xác định khối lượng của các neutrino lại khó khăn như thế, trước tiên bạn phải hiểu rằng có nhiều hơn một cách hình dung neutrino.
Neutrino xuất hiện ở ba mùi: electron, muon và tau. Khi một neutrino chạm trúng một detector neutrino, thì một hạt muon, electron, hoặc tau được tạo ra. Khi bạn bắt dính một neutrino đi kèm bởi một electron, bạn gọi nó là một neutrino electron, và tương tự cho hai mùi kia.
Biết như vậy, bạn có thể được tha thứ vì nghĩ rằng có ba loại neutrino: neutrino electron, neutrino muon, và neutrino tau. Điều đó không đúng cho lắm.
Bởi vì mỗi neutrino thật sự là một sự chồng chất lượng tử của cả ba mùi. Tùy thuộc vào năng lượng của mỗi neutrino và nơi bạn tóm được nó trên hành trình của nó, nó có khả năng xuất hiện dưới dạng mùi electron, mùi muon hoặc mùi tau.
Với kiến thức vừa bổ sung này, giờ thì bạn có thể được tha thứ vì nghĩ rằng, khi tất cả được nói là làm, thật sự chỉ có một loại neutrino. Nhưng điều đó còn ít đúng hơn.
Xét cho cùng các nhà khoa học đếm ba loại neutrino. Mỗi loại có một khối lượng và một sự pha trộn khác của ba mùi neutrino. Những loại neutrino này được gọi là ba trạng thái khối lượng neutrino.
Bài toán khối lượng
Chúng ta biết rằng khối lượng của ba loại neutrino này là nhỏ. Chúng ta biết rằng sự pha trộn mùi của trạng thái khối lượng neutrino thứ nhất là nặng ở mùi electron. Chúng ta biết rằng trạng thái thứ hai thì pha trộn đều hơn của mùi electron, muon và tau. Và chúng ta biết rằng trạng thái thứ ba chủ yếu gồm mùi muon và tau.
Chúng ta biết rằng khối lượng của hai neutrino đầu thì gần nhau hơn và của trạng thái thứ ba thì hơi khác nhiều. Cái chúng ta chưa biết là trạng thái thứ ba nhẹ hơn hay nặng hơn hai trạng thái kia.
Vấn đề liệu trạng thái khối lượng thứ ba này là trạng thái nặng nhất hay nhẹ nhất được gọi là bài toán đẳng cấp khối lượng neutrino (hay bài toán thứ bậc khối lượng neutrino).
Dễ như 1,2,3 – hay 3,1,2?
Một số mô hình thống nhất các lực trong Mô hình Chuẩn của vật lí hạt dự đoán rằng trật tự khối lượng neutrino sẽ tuân theo khuôn mẫu 1, 2, 3 – cái người ta gọi là đẳng cấp thường. Các mô hình khác dự đoán rằng trật tự khối lượng sẽ tuân theo khuôn mẫu 3, 1, 2 – một đẳng cấp ngược. Biết được đẳng cấp là thường hay ngược có thể giúp các nhà lí thuyết trả lời những câu hỏi khác nữa.
Thí dụ, bốn lực – lực mạnh, lực yếu, lực điện từ và lực hấp dẫn – chi phối các tương tác của những viên gạch cấu trúc nhỏ nhất của vật chất. Một số nhà lí thuyết nghĩ rằng, thời vũ trụ sơ khai, bốn lực này thống nhất thành một lực. Đa số lí thuyết về sự thống nhất lực đều dự đoán một đẳng cấp khối lượng neutrino thường.
Công cụ tốt nhất hiện nay của các nhà khoa học để xác định đẳng cấp khối lượng neutrino là các thí nghiệm đường cơ sở dài, đáng chú ý nhất là thí nghiệm NOvA.
Kéo theo electron
Detector NOvA, được bố trí ở Minnesota (Hoa Kì) gần biên giới với Canada, nghiên cứu một chùm neutrino phát sinh tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi ở bang Illinois.
Neutrino rất hiếm khi tương tác với vật chất khác. Điều đó có nghĩa là chúng có thể chuyển động xuyên 500 dặm qua Trái đất từ nguồn phát đến detector. Thật vậy, cái quan trọng là chúng làm thế, bởi vì khi chúng chuyển động, chúng đi xuyên qua hàng nghìn tỉ electron.
Điều này ảnh hưởng đến các neutrino mùi electron – và chỉ neutrino mùi electron thôi – làm cho chúng trông như nặng hơn. Vì trạng thái khối lượng thứ nhất và thứ hai chứa nhiều mùi electron hơn trạng thái thứ ba, nên hai trạng thái chịu tương tác electron mạnh nhất khi chúng đi xuyên qua Trái đất.
Tương tác này có ảnh hưởng khác nhau lên neutrino và phản neutrino – và hiệu ứng tùy thuộc vào đẳng cấp khối lượng. Nếu đẳng cấp là thường, thì neutrino muon sẽ có khả năng cao hơn biến đổi thành neutrino electron, và phản neutrino muon sẽ ít có khả năng hơn biến đổi thành phản neutrino electron. Nếu đẳng cấp là ngược, thì xảy ra điều ngược lại.
Cho nên nếu các nhà khoa học NOvA nhìn thấy, sau khi truyền qua hàng dặm đá và bụi, có nhiều neutrino muon và ít phản neutrino muon hơn trông đợi bị dịch mùi, thì nó sẽ là một dấu hiệu cho thấy đẳng cấp khối lượng là thường. Nếu họ nhìn thấy có ít neutrino muon và nhiều phản neutrino muon hơn bị dịch mùi, thì nó sẽ là một dấu hiệu cho thấy đẳng cấp khối lượng là ngược.
Sự biến đổi là hết sức nhỏ. Sẽ mất hàng năm thu thập dữ liệu để có gợi ý đầu tiên của câu trả lời. Một thí nghiệm neutrino đường cơ sở dài khác, ngắn hơn, T2K, đang tiến hành các phép đo có liên quan. Thí nghiệm JUNO đang xây dựng ở Trung Quốc hướng tới mục tiêu đo đẳng cấp khối lượng theo một cách khác. Phép đo rạch ròi có khả năng sẽ không xuất hiện cho đến thế hệ tiếp theo của các thí nghiệm đường cơ sở dài, DUNE ở Mĩ và thí nghiệm Siêu Kamionkande đã đề xuất ở Nhật Bản.
Neutrino là một trong những hạt dồi dào nhất trong vũ trụ. Khi chúng ta từ từ vén màn các bí ẩn của chúng, chúng cung cấp cho chúng ta thêm các manh mối về sự vận hành của vũ trụ.
Nguồn: Symmetry Magazine
