Lời giải cho bài toán neutrino còn thiếu

John N. Bahcall

Ba năm từ 2001 đến 2003 là những năm tháng vàng son của nghiên cứu neutrino mặt trời. Trong thời gian này, các nhà khoa học đã giải được một bí ẩn mà họ đã phải vật lộn với nó trong suốt bốn thập kỉ. Lời giải hóa ra thật quan trọng đối với cả vật lí học lẫn thiên văn học. Trong bài báo này, tôi sẽ kể lại câu chuyện ba năm huyền thoại đó.

Hai phần đầu tóm tắt bí mật neutrino mặt trời và đưa ra lời giải đã được tìm thấy trong ba năm vừa qua. Hai phần tiếp theo mô tả ý nghĩa của lời giải đối với vật lí học và thiên văn học. Phần tiếp theo đó vạch rõ cái còn lại để làm trong nghiên cứu neutrino mặt trời và trình bày quan điểm riêng của tôi lí giải tại sao mất hơn 30 năm mới giải xong bí ẩn neutrino còn thiếu. Phần cuối cùng mang lại một ấn tượng nhìn lại quá khứ của lời giải.

Bí ẩn

Cảnh mở màn

Trong nửa đầu thế kỉ 20, các nhà khoa học trở nên bị thuyết phục rằng mặt trời chiếu sáng bằng cách chuyển hóa, ở sâu bên trong của nó, hydrogen thành helium. Theo lí thuyết này, bốn hạt nhân hydrogen gọi là proton (p) bị biến đổi ở bên trong mặt trời thành hạt nhân helium (⁴He), hai phản electron (e⁺, electron tích điện dương) và hai hạt bí ẩn và khó nắm bắt gọi là neutrino (ν_e). Quá trình biến đổi hạt nhân này, hay sự nhiệt hạch hạt nhân, được tin là nguyên nhân cho ánh sáng mặt trời và do đó cho mọi sự sống trên trái đất. Quá trình biến đổi, bao gồm nhiều phản ứng hạt nhân khác nhau, có thể viết thành sơ đồ như sau:

4p → ⁴ He + 2e⁺ + 2 ν_e (1)

Hai neutrino sinh ra mỗi khi phản ứng nhiệt hạch (1) xảy ra. Vì bốn proton nặng hơn một hạt nhân helium, hai electron dương và hai neutrino, nên phản ứng (1) giải phóng rất nhiều năng lượng đối với mặt trời cuối cùng đi tới trái đất dưới dạng ánh sáng mặt trời. Phản ứng đó xảy ra rất thường xuyên. Neutrino dễ dàng thoát khỏi mặt trời và năng lượng của chúng không biểu hiện dưới dạng nhiệt mặt trời hay ánh sáng mặt trời. Đôi khi neutrino được tạo ra với năng lượng tương đối thấp và mặt trời cho rất nhiều nhiệt. Đôi khi neutrino sinh ra với năng lượng cao hơn và mặt trời cho ít năng lượng hơn.

Các neutrino trong phương trình (1) và minh họa dưới đây là tâm điểm của bí ẩn mà chúng ta khảo sát trong bài viết này.

Neutrino có điện tích bằng không, tương tác rất hiếm với vật chất và – theo các giáo trình của mô hình chuẩn của vật lí hạt cơ bản – không có khối lượng. Khoảng 100 tỉ neutrino phát ra từ mặt trời hình bóng bạn trong mỗi giây, nhưng bạn không cảm thấy chúng vì chúng tương tác quá hiếm và quá yếu với vật chất. Neutrino thật sự không bị hủy diệt; hầu như không có gì xảy ra với chúng. Trong mỗi trăm tỉ neutrino mặt trời truyền qua trái đất, chỉ khoảng chừng một hạt có tương tác với toàn bộ khối vật chất cấu thành nên trái đất. Vì chúng quá hiếm khi tương tác, nên neutrino dễ dàng thoát ra khỏi phần bên trong mặt trời, nơi chúng sinh ra, và mang lại thông tin trực tiếp về các phản ứng nhiệt hạch mặt trời đến với chúng ta trên trái đất. Có ba loại neutrino đã biết. Sự nhiệt hạch hạt nhân trong mặt trời chỉ tạo ra một loại neutrino đi cùng với electron nên gọi là electron neutrino (n_e). Hai loại neutrino kia, muon neutrino (n_m) và tau neutrino (n_t) được tạo ra, ví dụ, trong các máy gia tốc phòng thí nghiệm, hoặc trong những ngôi sao đang bùng nổ, cùng với các chị em nặng hơn của electron, các hạt muon (m) và tau (t).

Neutrino bị thiếu

Vào năm 1964, sau nghiên cứu tiên phong của Raymond Davis Jr, ông và tôi đã đề xuất một thí nghiệm nhằm kiểm tra xem việc biến đổi hạt nhân hydrogen thành hạt nhân helium trong mặt trời có thật sự là nguồn phát của ánh sáng mặt trời, như phương trình (1) xác nhận hay không.

Tôi đã tính toán cùng với các đồng sự của tôi số lượng neutrino thuộc các năng lượng khác nhau mà mặt trời tạo ra bằng một mô hình máy tính chi tiết của mặt trời và còn tính số nguyên tử argon phóng xạ (³⁷Ar) mà những neutrino mặt trời này sẽ tạo ra trong một bể lớn chứa chất lỏng sạch gốc chlorine (C₂Cl₄). Mặc dù ý tưởng có vẻ viễn vông đối với nhiều chuyên gian, nhưng Ray đảm bảo rằng ông có thể trích số lượng như tiên đoán của vài nguyên tử ³⁷Ar mỗi tháng ra khỏi bể chất lỏng sạch có kích thước khoảng chừng bằng một cái hồ bơi cỡ lớn.

Những kết quả đầu tiên của thí nghiệm của Ray được công bố trong năm 1968. Ông đã phát hiện chỉ khoảng 1/3 số lượng nguyên tử argon phóng xạ tiên đoán. Sự khác nhau giữa số neutrino tiên đoán và số neutrino mà Ray đo được sớm trở nên nổi tiếng là “Bài toán neutrino mặt trời” hay, theo ngữ cảnh phổ biến hơn, “Bí ẩn neutrino còn thiếu”.

Raymond Davis Jr (trái) và John Bahcall trong trang phục thợ mỏ và nón bảo hộ. Ảnh chụp năm 1967, khoảng một dặm sâu dưới lòng đất trong mỏ vàng Homestake ở Lead, South Dakota, Mĩ. Trong ảnh, Davis đang chỉ cho Bahcall xem cái thùng thép mới xây dựng của ông (đường kính 6m, dài 15 m) chứa một lượng lớn chất lỏng sạch (40.000 lít) và được dùng để bắt neutrino đến từ mặt trời.

Những lời giải thích khả dĩ

Ba lớp giải thích đã được đề xuất để giải thích bí ẩn đó. Trước hết, có lẽ những tính toán lí thuyết là sai lầm. Điều này có thể xảy ra theo hai kiểu. Hoặc là số lượng tiên đoán của neutrino không chính xác, hoặc là tốc độ sản sinh tính được của các nguyên tử argon là không đúng. Thứ hai, có lẽ thí nghiệm của Ray đã sai. Thứ ba, và đây là khả năng táo bạo nhất và ít được bàn cãi nhất, có lẽ các nhà vật lí không hiểu neutrino hành xử như thế nào khi chúng truyền đi những khoảng cách thiên văn lớn.

Các tính toán lí thuyết đã được tinh chỉnh và kiểm nghiệm nhiều lần trong suốt hai thập kỉ sau đó bởi tôi và bởi các nhà nghiên cứu khác. Dữ liệu sử dụng trong tính toán được cải thiện và các tiên đoán trở nên chính xác hơn. Không có sai sót đáng kể nào được tìm thấy trong mô hình máy tính của mặt trời hay trong tính toán của tôi về xác suất cho thùng của Ray bắt được neutrino. Đồng thời, Ray đã tăng thêm độ nhạy cho thí nghiệm của ông. Ông cũng đã thực hiện một số kiểm nghiệm khác nhau của kĩ thuật của ông nhằm đảm bảo rằng không bỏ sót một neutrino nào. Không có sai số đáng kể nào được tìm thấy trong phép đo. Sự không nhất quán giữa lí thuyết và thực nghiệm vẫn còn đó.

Còn lời giải thích khả dĩ thứ ba, một nền vật lí mới, thì sao ? Ngay trong năm 1969, Bruno Pontecorvo và Vladimir Gribov thuộc Liên Xô đã đề xuất cách giải thích thứ ba liệt kê ở trên, cụ thể là neutrino hành xử khác với các nhà vật lí giả thiết. Rất ít nhà vật lí xem ý tưởng này là nghiêm túc vào thời kì đó khi nó lần đầu tiên được đề xuất, nhưng bằng chứng ủng hộ cho khả năng này đã tăng lên theo thời gian.

Bằng chứng ủng hộ nền vật lí mới

Vào năm 1989, 21 năm sau khi kết quả thực nghiệm đầu tiên được công bố, một chương trình hợp tác Nhật-Mĩ đã báo cáo kết quả của một nỗ lực “giải” bài toán neutrino mặt trời. Nhóm thực nghiệm mới tên gọi là Kamiokande (đứng đầu là Masatoshi Koshiba và Yoji Totsuka) sử dụng một máy dò hạt cỡ lớn dùng nước tinh khiết để đo tốc độ electron trong nước làm tán xạ các neutrino năng lượng cao nhất phát ra từ mặt trời. Máy dò hạt dùng nước rất nhạy, nhưng chỉ với các neutrino năng lượng cao được tạo ra bởi một phản ứng hạt nhân hiếm (liên quan đến sự phân hủy của hạt nhân ⁸B) trong chu trình sản sinh năng lượng mặt trời. Thí nghiệm Davis ban đầ với chorine là căn bản, nhưng không đủ nhạy với các neutrino năng lượng cao tương tự.

Thí nghiệm Kamiokande xác nhận số lượng sự kiện neutrino quan sát thấy ít hơn tiên đoán bởi mô hình lí thuyết của mặt trời và bởi sách giáo khoa về neutrino. Nhưng sự khác biệt trong máy dò hạt dùng nước có phần kém gay gắt hơn trong máy dò hạt chlorine của Ray Davis.

Trong thập kỉ sau đó, ba thí nghiệm neutrino mặt trời mới đã đào sâu bí ẩn của neutrino còn thiếu. Các thí nghiệm ở Italy và Nga sử dụng các máy dò hạt cỡ lớn chứa gallium cho thấy các neutrino năng lượng thấp hơn hình như cũng đang thiếu. Những thí nghiệm này gọi tên là GALLEX (đứng đầu là Till Kirsten ở Heidelberg, Đức) và SAGE (đứng đầu là Vladimir Gavrin ở Moscow, Nga). Thực tế GALLEX và SAGE nhạy với các neutrino năng lượng thấp rất quan trọng vì tôi tin rằng tôi có thể tính được số lượng neutrino năng lượng thấp chính xác hơn số lượng neutrino năng lượng cao. Ngoài ra, một mẫu lớn hơn nhiều của máy dò hạt dùng nước kiểu Nhật, gọi là Super-Kamiokande (đứng đầu là Totsuka và Yochiro Suzuki) đã thực hiện những phép đo chính xác hơn về các neutrino năng lượng cao và xác nhận sự thiếu hụt ban đầu của các neutrino năng lượng cao tìm thấy bởi thí nghiệm chlorine và thí nghiệm Kamiokande. Như vậy, cả neutrino năng lượng cao lẫn thấp đều bị thiếu, mặc dù không ở tỉ lệ như nhau.

Máy dò hạt Super-Kamiokande, Đại học Tokyo. Máy dò hạt gồm một thể tích trong và một thể tích ngoài chứa tương ứng 32.000 và 18.000 tấn nước tinh khiết. Thể tích bên ngoài che chắn cho thể tích bên trong, nơi các tương tác neutrino được nghiên cứu. Thể tích bên trong được bao bọc bởi 11.000 ống nhân quang phát hiện ánh sáng Cherenkov màu xanh mờ phát ra khi các electron bị va chạm bởi neutrino.

Bằng chứng thu được trong thập kỉ này xác nhận điều gì đó phải xảy ra với neutrino trên hành trình của chúng đến với trái đất từ phần bên trong của mặt trời. Năm 1990, Hans Bethe và tôi đã chỉ ra rằng nền vật lí neutrino mới, ngoài cái đã có trong các sách giáo khoa vật lí hạt chuẩn, là cần thiết để dung hòa kết quả của thí nghiệm chlorine Davis và thí nghiệm nước Nhật-Mĩ. Kết luận của chúng tôi dựa trên một phép phân tích độ nhạy tương đối của thí nghiệm chlorine và thí nghiệm nước đối với số neutrino và năng lượng neutrino. Các thí nghiệm neutrino mặt trời mới hơn ở Italy và ở Nga là tăng thêm khó khăn của việc giải thích số liệu neutrino mà không viện đến nền vật lí mới.

Bằng chứng mới cũng cho thấy các tiên đoán mô hình mặt trời là xác thực. Vào năm 1997, các phép đo chính xác đã được thực hiện về tốc độ âm thanh qua phần bên trong mặt trời bằng những dao động tuần hoàn quan sát thấy ở ánh sáng thông thường phát ra từ bề mặt mặt trời. Tốc độ âm thanh đo được phù hợp đến độ chính xác 0,1% với tốc độ tính toán trong mô hình lí thuyết của chúng ta về mặt trời. Những phép đo này đề xuất với các nhà thiên văn học rằng mô hình lí thuyết của mặt trời là chính xác đến mức mô hình cũng phải tiên đoán chính xác số lượng neutrino mặt trời.

Thập niên cuối cùng của thế kỉ 20 đã mang lại bằng chứng mạnh mẽ rằng một lí thuyết tốt hơn của nền vật lí cơ sở là cần thiết để giải quyết bí ẩn neutrino còn thiếu. Nhưng chúng ta vẫn cần tìm một phát súng khai màn.

Giải pháp

Vào ngày 18 tháng 6 năm 2001, lúc 12:15 chiều, các nhà khoa học thuộc một chương trình hợp tác Canada, Mĩ, và Anh, đã đưa ra một công bố đầy kịch tính: họ đã giải được bải toán neutrino mặt trời. Chương trình hợp tác quốc tế đó (đứng đầu là Arthur MacDonald ở Ontario, Canada) báo cáo kết quả neutrino mặt trời đầu tiên thu được với một máy dò hạt gồm 1000 tấn nước nặng (D₂O). Máy dò hạt mới, đặt trong một mỏ nickel ở Sudbury, Ontario, ở Canada, có thể nghiên cứu theo một phương pháp khác, các neutrino mặt trời năng lượng cao tương đương đã được nghiên cứu trước đó ở Nhật Bản với các máy dò hạt nước thường Kamiokande và Super-Kamiokande. Máy dò hạt Canada tên gọi là SNO, viết tắt của Đài quan sát neutrino mặt trời.

Những thí nghiệm dứt khoát

Trong những phép đo đầu tiên của họ, chương trình hợp tác SNO sử dụng máy dò hạt nước nặng trong một mode chỉ nhạy với các electron neutrino. Các nhà khoa học SNO quan sát được gần một phần ba số lượng electron neutrino như mô hình máy tính chuẩn của mặt trời tiên đoán tạo ra ở bên trong mặt trời. Máy dò hạt Super-Kamiokande, chủ yếu nhạy với electron neutrino nhưng cũng nhạy đôi chút với những loại neutrino khác, quan sát thấy khoảng chừng phân nửa số sự kiện như trông đợi.

Nếu như mô hình chuẩn của nền vật lí hạt là đúng, thì tỉ lệ đo được bởi SNO và tỉ lệ đo được bởi Supe-Kamiokande phải bằng nhau. Tất cả neutrino sẽ là electron neutrino. Những tỉ lệ đó khác nhau. Mô hình sách vở của nền vật lí hạt đã sai.

Hình minh họa cho thấy mặt cắt của Đài quan sát neutrino mặt trời Sudbury, bọc trong vỏ bọc của nó và dìm trong một mỏ khoáng. Máy dò hạt bên trong chứa 1000 tấn nước nặng và được bao bọc bởi một cấu trúc thép không gỉ mang khoảng 10.000 ống nhân quang. Phần bên ngoài, hộp hình ruột bò (đường kính 22 m và cao 34 m) chứa đầy nước thường đã lọc tinh khiết nhằm chống đỡ và che chắn chống lại các hạt khác ngoài neutrino.

Kết hợp các phép đo SNO và Super-Kamiokande, chương trình hợp tác SNO xác định được tổng số neutrino mặt trời thuộc mọi loại (electron, muon, và tau) cũng như số lượng của chỉ electron neutrino. Tổng số neutrino thuộc mọi loại phù hợp với số lượng tiên đoán bởi mô hình máy tính của mặt trời. Các electron neutrino chiếm khoảng một phần ba tổng số neutrino.

Phát súng khai cuộc đã được phát hiện. Phát súng khai cuộc là sự chênh lệch giữa tổng số neutrino và số lượng của chỉ electron neutrino. Neutrino còn thiếu thật ra đã có mặt, nhưng ở dạng khó phát hiện hơn nhiều so với muon và tau neutrino.

Kết quả lịch sử công bố vào tháng 6 năm 2001 đã được xác nhận bởi những thí nghiệm sau đó. Chương trình hợp tác SNO đã thực hiện những phép đo mới độc nhất vô nhị trong đó tổng số neutrino năng lượng cao thuộc mọi loại được quan sát thấy trong máy dò hạt nước nặng. Kết quả từ những phép đo SNO này đơn độc chỉ ra rằng đa số neutrino sinh ra bên trong mặt trời, tất cả chúng là electron neutrino khi chúng được tạo ra, bị biến đổi thành muon và tau neutrino vào lúc chúng đi tới trái đất.

Phép đo tổng số neutrino trong máy dò hạt SNO mang lại dấu vết cho phát súng khai cuộc.

Những kết quả mang tính cách mạng này đã được xác nhận độc lập trong một thành tựu phi thường bởi một chương trình hợp tác thực nghiệm Nhật-Mĩ, Kamland, chương trình nghiên cứu, thay cho neutrino mặt trời, các phản neutrino phát ra từ các lò phản ứng điện hạt nhân ở Nhật và ở các nước láng giềng. Chương trình hợp tác (đứng đầu là Atsuto Suzuki, ở Sendai, Nhật Bản) quan sát thấy một sự thiếu hụt ở số lượng phát hiện được của các phản neutrino phát ra từ lò phản ứng điện hạt nhân. Sự thiếu hụt đã được tiên đoán cho thí nghiệm Kamland dựa trên các tính toán mô hình mặt trời, các phép đo neutrino mặt trời, và mô hình lí thuyết của hành vi neutrino, giải thích tại sao những tính toán và phép đo trước đó dường như không ăn khớp nhau. Các phép đo Kamland đã cải thiện đáng kể sự hiểu biết của chúng ta về những thông số đặc trưng cho neutrino.

Neutrino bị thiếu là do đâu ?

Lời giải của bí ẩn neutrino mặt trời còn thiếu là neutrino thật ra không thiếu. Các neutrino trước đây không đếm được đã biến đổi từ electron neutrino thành muon và tau neutrino khó phát hiện hơn. Các muon và tau neutrino không được phát hiện bởi thí nghiệm Davis với chlorine; chúng không bị phát hiện bởi các thí nghiệm gallium ở Nga và Italy; và chúng không bị phát hiện bởi phép đo SNO đầu tiên. Sự thiếu nhạy này với muon và tau neutrino là nguyên nhân khiến cho những thí nghiệm này có vẻ cho rằng đa số neutrino mặt trời mong đợi bị thiếu hụt. Mặt khác, các thí nghiệm nước Kamionkande và Super-Kamiokande ở Nhật và sau này là các thí nghiệm nước nặng SNO có một số độ nhạy với muon và tau neutrino, ngoài sự nhạy chủ yếu của chúng với electron neutrino. Các thí nghiệm dùng nước này do đó hé mở những tỉ lệ lớn hơn của neutrino mặt trời như tiên đoán.

Tất cả điều này có ý nghĩa gì đối với vật lí học ?

Điều gì sai đối với neutrino ?

Neutrino mặt trời có một sự lộn xộn đa tính cách. Chúng được tạo ra dưới dạng electron neutrino trong mặt trời, nhưng trên hành trình đến trái đất, chúng đã biến đổi loại của chúng. Đối với neutrino, nguồn gốc của sự lộn xộn tính cách là một quá trình cơ lượng tử, gọi là “dao động neutrino”.

Pontecorvo và Gribov đã có ý tưởng đúng vào năm 1969. Các neutrino mặt trời năng lượng thấp chuyển hóa từ electron neutrino sang loại khác khi chúng truyền trong chân không từ mặt trời tới trái đất. Quá trình đó có thể tiến triển tới lui giữa các loại khác nhau. Số biến đổi tính cách, hay số dao động, phụ thuộc vào năng lượng neutrino. Ở các mức năng lượng neutrino cao, quá trình dao động được tăng cường bởi các tương tác với electron trong mặt trời hoặc trong trái đất. Stas Mikheyev, Alexei Smirnov, và Lincoln Wolfenstein ban đầu đề xuất rằng các tương tác với electron trong mặt trời có thể làm tăng thêm sự lộn xộn tính cách của các neutrino, tức là sự có mặt của vật chất có thể làm cho các neutrino dao động mãnh liệt hơn giữa các loại khác nhau.

Ngay trước phép đo SNO năm 2001, các phép phân tích hiện tượng học của tất cả số liệu thực nghiệm neutrino mặt trời đã đề xuất với sự chắc chắn khá cao rằng một số cơ sở vật lí mới đang xuất hiện. Các thông số neutrino được ưa chuộng từ các phép phân tích tiền SNO này phù hợp với các thông số sau này được chọn với sự tin cậy cao hơn bởi các kết quả SNO và Super-Kamiokande. Nhưng, vẫn còn thiếu phát súng khai cuộc.

Các kết quả SNO và Super-Kamiokande kết hợp với nhau tương đương với việc tìm thấy một phát súng khai cuộc, vì chúng quy cho các neutrino mặt trời năng lượng cao như nhau, và vì các thí nghiệm sử dụng những kĩ thuật quen thuộc với nhiều nhà vật lí. Cả hai thí nghiệm cũng bao gồm nhiều kiểm nghiệm trên các phép đo của chúng.

Bruno Pontecorvo trong văn phòng của ông tại Liên viện vật lí hạt nhân ở Dubna, Nga, vào năm 1983. Pontecorvo đang bàn về vật lí với cộng sự của ông, Samoil Bilenky. Cuối buổi chiều hôm đó, Pontecorvo đã tổ chức tiệc sinh nhật lần thứ 70 của ông.

Điều gì sai đối với mô hình chuẩn của vật lí hạt ?

Mô hình chuẩn của vật lí hạt giả sử các neutrino không có khối lượng. Để cho các dao động neutrino xảy ra, một số neutrino phải có khối lượng. Vì thế, mô hình chuẩn của vật lí phải được sửa lại.

Mô hình đơn giản nhất phù hợp với mọi số liệu neutrino gợi  ý rằng khối lượng của electron neutrino nhỏ hơn khoảng 100 triệu lần khối lượng của electron. Nhưng số liệu sẵn có không đủ dứt khoát để loại trừ tất cả mà chỉ là một lời giải khả dĩ. Cuối cùng khi chúng ta có một lời giải duy nhất, thì giá trị của các khối lượng neutrino khác nhau có thể là manh mối đưa đến việc tìm hiểu nền vật lí ngoài mô hình chuẩn của vật lí hạt.

Có hai mô tả tương đương nhau của neutrino, một là biểu diễn dưới dạng khối lượng của neutrino, và một là biểu diễn dưới dạng các hạt mà với nó neutrino đi kèm (electron neutrino với electron, muon neutrino với hạt muon, hay tau neutrino với hạt tau). Mối quan hệ giữa mô tả khối lượng và mô tả hạt đi kèm bao hàm những hằng số nhất định, gọi là “góc hòa nhập” có giá trị là những manh mối tiềm tàng quan trọng có thể giúp đưa đến một lí thuyết cải tiến về cách thức hành xử của các hạt cơ bản.

Nghiên cứu neutrino mặt trời cho thấy rằng neutrino có thể biến đổi tính cách hay loại của chúng. Mô tả toán học của chứng tật này xác định các đại lượng chúng ta hi vọng sẽ là những manh mối hữu ích trong việc tìm kiếm một lí thuyết tổng quát hơn về cách thức các hạt cơ bản hành xử.

Tất cả điều này có ý nghĩa gì đối với thiên văn học ?

Tổng số neutrino quan sát thấy trong các thí nghiệm SNO và Super-Kamiokande phù hợp với số lượng tính toán bằng mô hình máy tính chuẩn của mặt trời. Điều này cho thấy chúng ta hiểu cách thức mặt trời chiếu sáng, câu hỏi căn bản đã khởi xướng lĩnh vực nghiên cứu neutrino mặt trời. Lời giải của bí ẩn neutrino còn thiếu là một thành tựu quan trọng đối với thiên văn học. Các tiên đoán mô hình mặt trời chuẩn đã được xác nhận; mô hình chuẩn của vật lí hạt phải sửa lại. Cách nay bốn thập kỉ, khi thí nghiệm neutrino mặt trời đầu tiên được đề xuất, không ai đoán trước rằng kết quả sẽ đạt được bước chuyển biến sự kiện này.

Để dự đoán chính xác số lượng neutrino tạo ra bởi các phản ứng hạt nhân trên mặt trời, nhiều hiện tượng phức tạp phải được hiểu một cách chi tiết. Ví dụ, người ta phải hiểu sự phức tạp của các phản ứng hạt nhân tại các năng lượng, nơi các phép đo khó thực hiện. Người ta phải hiểu sự chuyển hóa năng lượng ở những nhiệt độ và mật độ rất cao. Người ta phải hiểu trạng thái của vật chất trên mặt trời trong những điều kiện không thể nghiên cứu trực tiếp trên trái đất. Nhiệt độ tại tâm của mặt trời cao hơn khoảng 50.000 lần nhiệt độ trên trái đất vào một ngày nhiều nắng và mật độ tại tâm của mặt trời khoảng 100 lần mật độ của nước. Người ta phải đo sự phong phú của các nguyên tố nặng trên bề mặt của mặt trời và sau đó tìm hiểu xem sự phong phú này thay đổi như thế nào khi đi sâu hơn vào trong mặt trời. Tất cả những điều này và nhiều chi tiết nữa phải được hiểu và tính toán chính xác.

Số lượng tiên đoán của neutrino mặt trời năng lượng cao có thể chỉ ra bằng một phép tính cơ lượng tử phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ tại tâm của mặt trời. Sai số 1% ở nhiệt độ tương ứng với sai số khoảng 30% ở số lượng tiên đoán của neutrino; sai số 3% ở nhiệt độ mang lại sai số gấp đôi ở neutrino. Nguyên nhân vật lí cho độ nhạy lớn này là năng lượng của các hạt tích điện phải va chạm để tạo ra neutrino năng lượng cao là nhỏ so với lực đẩy điện lẫn nhau của chúng. Chỉ một tỉ lệ nhỏ các va chạm hạt nhân trong mặt trời thành công trong việc chiến thắng lực đẩy này và gây ra sự nhiệt hạch; tỉ lệ này rất nhạy với nhiệt độ. Bất chấp độ nhạy lớn này với nhiệt độ, mô hình lí thuyết của mặt trời là đủ chính xác để tiên đoán chính xác số lượng neutrino.

Nỗ lực nghiên cứu của hàng nghìn nhà nghiên cứu ở các viện phân bố trên khắp thế giới là cần thiết để thu được độ chính xác cần thiết. Là kết quả của nỗ lực cộng đồng này trong bốn thập kỉ vừa qua, bây giờ chúng ta có sự tin tưởng vào sự hiểu biết của chúng ta về cách thức mặt trời chiếu sáng. Chúng ta có thể sử dụng kiến thức này để giải thích những quan sát của các thiên hà ở xa cũng chứa các ngôi sao. Chúng ta có thể sử dụng kiến thức về cách thức ngôi sao phát sáng và tiến hóa để biết thêm về sự tiến hóa của vũ trụ.

Việc còn lại để làm là gì ?

Các máy dò hạt chlorine và gallium không đo được năng lượng của các sự kiện neutrino. Chỉ có máy dò hạt dùng nước (Kamiokande, Super-Kamiokande và SNO) mang lại thông tin nhất định về năng lượng của neutrino mặt trời quan sát được. Tuy nhiên, các máy dò hạt dùng nước chỉ nhạy với neutrino năng lượng cao (với năng lượng > 5 triệu electron-volt).

Mô hình máy tính chuẩn của mặt trời tiên đoán rằng đa số neutrino mặt trời có năng lượng nằm dưới ngưỡng phát hiện của các máy dò hạt dùng nước. Nếu như mô hình mặt trời chuẩn là đúng, thì các máy dò hạt dùng nước nhạy với chỉ khoảng 0,01% số neutrino mà mặt trời phát ra. 99,99% còn lại phải quan sát thấy trong tương lai với những máy dò hạt mới nhạy với các năng lượng tương đối thấp

Mặt trời là ngôi sao duy nhất đủ gần với trái đất để cho chúng ta quan sát neutrino tạo ra bởi các phản ứng nhiệt hạch hạt nhân. Điều quan trọng là quan sát các neutrino năng lượng thấp dồi dào để kiểm tra chính xác hơn lí thuyết về sự tiến hóa sao. Chúng ta tin rằng chúng ta có thể tính được số lượng mong đợi của các neutrino năng lượng thấp chính xác hơn chúng ta có thể tính số lượng neutrino năng lượng cao. Vì vậy, một phép đo chính xác số lượng neutrino năng lượng thấp sẽ là một phép kiểm nghiệm quan trọng mức độ chính xác của lí thuyết mặt trời của chúng ta. Có thể vẫn còn đó những bất ngờ.

Ở năng lượng thấp (< 2 triệu electron-volt), chúng ta tin rằng lí thuyết của Pontecorvo và Gribov mô tả tốt sự chuyển hóa trong chân không của electron neutrino thành neutrino thuộc các loại khác. Ở năng lượng cao, chúng ta nghĩ rằng các tương tác với electron, như đề xuất bởi Mikheyev, Smirnov và Wolfenstein, là cần thiết để hiểu được sự chuyển hóa tăng thêm của các electron neutrino thành những loại khác của neutrino. Chúng ta cần những thí nghiệm mới ở năng lượng thấp để kiểm tra, và tìm hiểu định lượng, sự biến đổi ở cơ chế chuyển hóa từ quá trình đó hoạt động ở năng lượng cao sang quá trình quan trọng nhất ở năng lượng thấp.

Các thí nghiệm neutrino mặt trời ở năng lượng thấp cũng có thể mang lại những phép đo tao nhã của các thông số mô tả các dao động neutrino.

Chúng ta có thể sử dụng neutrino để đo độ sáng toàn phần của mặt trời. Ước tính hiện nay của độ sáng toàn phần chỉ sử dụng các hạt ánh sáng, gọi là photon. Nếu như nguồn năng lượng bức xạ duy nhất là các phản ứng nhiệt hạch hạt nhân như đã mô tả bằng phương trình trong phần đầu bài viết này, thì hai phép đo (với ánh sáng và với neutrino) sẽ ăn khớp nhau. Chúng ta trông đợi sự phù hợp dựa trên sự hiểu biết hiện nay của chúng ta về cách thức mặt trời chiếu sáng. Nhưng, nếu có một nguồn năng lượng khác nữa – một số quá trình mà cho tới nay chúng ta chưa biết – thì các phép đo với neutrino và với ánh sáng sẽ khác nhau đáng kể. Đó sẽ là một khám phá có tính cách mạng.

Tại sao mất quá lâu mới có lời giải ?

Bí ẩn neutrino mặt trời còn thiếu lần đầu tiên được ghi nhận vào năm 1968. Số sự kiện neutrino do Ray Davis quan sát trong máy dò hạt của ông ít hơn nhiều so với giá trị tiên đoán. Nhưng, mãi cho đến năm 2001 thì đa số các nhà vật lí mới bị thuyết phục rằng nguồn gốc của bí ẩn neutrino mặt trời là một sự không thỏa đáng trong mô hình chuẩn của vật lí hạt chứ không phải sự thất bại của mô hình lí thuyết chuẩn về cách thức mặt trời chiếu sáng.

Tại sao mất quá lâu thì đa số các nhà vật lí mới bị thuyết phục rằng lí thuyết hạt cơ bản sai chứ không phải thiên văn vật lí sai ?

Trước tiên, hãy lắng nghe những lời giải thích riêng của họ xem một số nhà vật lí nổi trội nhất nói gì về neutrino còn thiếu. Vào năm 1967, hai năm trước bài báo lịch sử của ông với Gribov về các dao động neutrino được công bố, Bruno Pontecorv đã viết:

“Thật đáng tiếc, sức nặng của các phản ứng nhiệt hạch đa dạng trong mặt trời, và nhiệt độ tại tâm mặt trời được biết không đầy đủ để cho phép một sự so sánh có ích về số neutrino mặt trời mong đợi và số quan sát thấy…”

Nói cách khác, sai số trong mô hình mặt trời là quá lớn nên chúng cản trở một sự giải thích hữu ích về các phép đo neutrino mặt trời. Quan điểm của Bruno Pontecorvo được ủng hộ hơn hai thập kỉ sau đó khi vào năm 1990 Howard Georgi và Michael Luke viết những câu mở đầu trong một bài báo về các hiệu ứng vật lí hạt có khả năng trong những thí nghiệm neutrino mặt trời:

“Có khả năng nhất là bài toán neutrino mặt trời không có gì để làm với vật lí hạt. Thật là một thành công lớn khi mà các nhà thiên văn vật lí có thể tiên đoán số neutrino ⁸B tới trong vòng hệ số 2 hoặc 3…”

C.N. Yang phát biểu vào hôm 11/10/2002, một vài ngày sau khi trao giải Nobel vật lí cho Ray Davis và Masatoshi Koshiba cho thành tựu lần đầu tiên phát hiện ra neutrino vũ trụ, rằng:

“Tôi không tin vào các dao động neutrino, ngay cả sau nghiên cứu nhọc nhằn của Davis và phân tích cẩn thận của Bahcall. Tôi tin rằng các dao động không thể được gọi tên như thế”.

Sidney Drell viết trong một bức thư cá nhân giải thích gửi cho tôi vào tháng 1 năm 2003 rằng “… thành công của Mô hình Chuẩn (của vật lí hạt) quá đắt giá để mà từ bỏ”.

Mô hình chuẩn của vật lí hạt là một lí thuyết đẹp đã được kiểm nghiệm và đưa ra được những tiên đoán chính xác trong hàng ngàn thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Mô hình mặt trời chuẩn, mặt khác, bao hàm cơ sở vật lí phức tạp trong những điều kiện không quen thuộc và chưa được kiểm nghiệm trước đó đến độ chính xác cao. Tuy nhiên, các tiên đoán của mô hình mặt trời chuẩn phụ thuộc nhiều vào các chi tiết của mô hình, ví dụ như nhiệt độ tại tâm mặt trời. Không phải tự hỏi tại sao các nhà khoa học lại mất quá nhiều thời gian để đổ lỗi cho mô hình chuẩn của vật lí hạt chứ không phải mô hình chuẩn của mặt trời.

Một thành tựu cộng đồng bất ngờ

Tôi thật sự ngạc nhiên khi nhìn trở lại cái đã hoàn thành trong lĩnh vực nghiên cứu neutrino mặt trời trong bốn thập kỉ vừa qua. Làm việc cùng với nhau, một cộng đồng quốc tế gồm hàng ngàn nhà vật lí, nhà hóa học, nhà thiên văn học, và các kĩ sư đã chỉ ra rằng việc đếm các nguyên tử phóng xạ trong một cái hồ bơi chứa đầy chất lỏng sạch ở trong một mỏ sâu trên trái đất có thể cho chúng ta biết những điều quan trọng về tâm của mặt trời và về những tính chất của các hạt cơ bản kì lạ gọi tên là neutrino. Nếu tôi không sống qua huyền thoại neutrino mặt trời, tôi sẽ không tin điều đó là có thể.

Theo NobelPrize.org