Kết quả bất ngờ từ thí nghiệm MINOS

Các nhà nghiên cứu tại thí nghiệm MINOS ở Fermilab vừa công bố một kết quả bất ngờ có thể hướng đến một sự khác biệt cơ bản giữa các neutrino và các phản hạt của chúng. Các kết quả trên, nếu được xác nhận bởi những lần chạy thực nghiệm khác nữa, có thể giúp các nhà vật lí khảo sát một số khác biệt cơ bản giữa vật chất và phản vật chất.

alt

Đại học Minnesota đã thực hiện một bức tranh lớn trong hang động MINOS tại Phòng thí nghiệm Dưới lòng đất Soudan, vẽ lên trên vách đá, rộng 18 m cao 7,6 m. Bức tranh có ảnh của các nhà khoa học như Enrico Fermi và Wolfgang Pauli, Wilson Hall tại Fermilab, George Shultz, một nhân vật quan trọng trong lịch sử khai mỏ Minnesota, và một số bất ngờ. Ảnh: Joe Giannetti / Fermilab.

Thí nghiệm MINOS được thiết kế để kiểm tra lí thuyết cho rằng các neutrino có thể biến đổi giữa các loại trong một quá trình gọi là “dao động” neutrino. Khi ý tưởng này lần đầu tiên được nêu ra hồi những năm 1950, nó đã gây tranh cãi vì nó ngụ ý rằng các neutrino có khối lượng, một đặc điểm trái ngược với Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt. Tuy nhiên, lí thuyết đó đã được sự ủng hộ của những thí nghiệm sau đó, chúng tìm thấy Mặt trời đang sản sinh ít neutrino electron hơn so với trông đợi. Nó cũng được hậu thuẫn bởi một sự thiếu hụt rõ rệt ở lượng neutrino electron tạo ra bởi các tia vũ trụ tương tác bầu khí quyển Trái đất.

Thí nghiệm MINOS được thiết lập để nghiên cứu sự dao động neutrino bằng cách thực hiện những phép đo chính xác đầu tiên của một chùm neutrino có điều khiển sinh ra bên trong một môi trường máy gia tốc hạt. Mỗi lần chạy thực nghiệm bắt đầu tại Fermilab ở gần Chicago, nơi một tấm bia bị bắn phá bởi các proton năng lượng cao để tạo ra một chùm neutrino, gọi là chùm NuMI. Chùm này đi xuyên qua Trái đất về hướng mỏ khoáng Soudan ở Minnesota, cách xa chừng 735 km. Ở sâu trong mỏ khoáng, các neutrino tương tác với máy dò MINOS, gồm một nhiệt lượng kế lớn bằng sắt trong sự có mặt của một từ trường. MINOS được thiết kế để tiến hành những phép đo chính xác cao của phổ năng lượng của các muon, hạt sinh ra từ các tương tác với neutrino Fermilab.

Khi những vùng lõm xuất hiện trong phổ năng lượng này, thì nó là gợi ý cho thấy một số neutrino muon đã dao động thành các neutrino tau năng lượng thấp hơn, những hạt không thể ghi nhận trong máy dò. Ngưỡng năng lượng trong đó sự lõm này xuất hiện có thể tiết lộ thông tin về sự chênh lệch giữa khối lượng của hai loại neutrino đó. Một vùng lõm xuất hiện ở các năng lượng cao tương ứng với một sự chênh lệch lớn giữa khối lượng của hai loại neutrino khác nhau. Khi nó bắt đầu hoạt động vào năm 2006, đội MINOS ban đầu đã khảo sát sự chênh lệch khối lượng giữa các neutrino muon và neutrino tau. Sau khi bắn 7 x 10²⁰ proton vào bia Fermilab, họ thu được kết quả 2.35 x 10^-3eV², biểu diễn bình phương của độ chênh lệch giữa bình phương độ hụt khối (Δm²) của hai loại neutrino khác nhau.

Tuy nhiên, gần đây hơn, đội MINOS đã chuyển sự chú ý của họ sang các phản neutrino, và chùm Fermilab NuMI được biến đổi để sản sinh ra một chùm phản neutrino muon. Máy dò hạt ở mỏ khoáng Soudan hoạt động theo cách giống như cũ, trừ ở chỗ các phản neutrino muon tạo ra các muon tích điện dương thay vì tích điện âm. Các mô hình neutrino cho thấy các phản neutrino cũng sẽ dao động giữa các loại, trong đó Δm² sẽ ứng với giá trị bằng như với đối tác neutrino của chúng.

Tuy nhiên, trước sự ngạc nhiên của họ, đội MINOS ghi nhận một giá trị Δm² là 3.35 x 10^-3eV² giữa các phản neutrino muon và phản neutrino tau, nhỏ hơn kết quả neutrino của họ chừng 40%. Giá trị neutrino và giá trị phản neutrino đó không phù hợp với nhau ở mức độ tin cậy 90-95%, ứng với một ý nghĩa thống kê chừng 2 sigma. “Trong khi các neutrino và phản neutrino thật sự hành xử khác nhau trên hành trình của chúng xuyên qua Trái đất, thì Mô hình Chuẩn tiên đoán kết quả nhỏ cực kì trong thí nghiệm MINOS”, phát biểu của Jenny Thomas, một phát ngôn viên cho đội MINOS tại Đại học College London.

Thomas nói kết quả trên “hoàn toàn bất ngờ’, nhưng bà cảnh báo rằng cộng đồng vật lí hạt nói chung trông đợi một ý nghĩa thống kê 3 hoặc 4 sigma trước khi họ bắt đầu chú ý nghiêm túc đến một kết quả. “Rõ ràng việc chạy thêm thí nghiệm phản neutrino là cần thiết để làm sáng tỏ ra kết quả này có phải chỉ là do một thăng giáng thống kê hay không”, bà bổ sung thêm.

alt

Khi hoạt động ở cường độ cao nhất, đường dẫn chùm NuMI vận chuyển một gói 35.000 tỉ proton trong mỗi hai giây đến một tấm bia graphite. Tấm bia biến đổi các proton thành các xung hạt với tên gọi kì lạ như kaon và pion. Giống như một chùm ánh sáng lóe lên từ một đèn flash, các hạt đó hình thành nên một hình nón rộng khi rời khỏi tấm bia. Một bộ hai thấu kính đặc biệt, gọi là các sừng (ảnh), là thiết bị chính để tập trung chùm hạt và gửi nó vào hướng thích hợp. Các hạt trong chùm phân hủy và sinh ra các neutrino muon truyền đi cùng hướng cũ. Ảnh: Peter Ginter.

David Wark, một nhà vật lí neutrino tại trường Imperial College, London, chia sẻ một quan điểm tương tự. “Không hẳn là nó không cho thấy họ đã làm cái gì đó không đúng, nó chỉ cho thấy chưa có đủ dữ liệu để đưa ra một kết luận thuyết phục”. Wark cho biết nếu có sự khác biệt trong sự dao động của các neutrino và phản neutrino, thì kết quả này sẽ có tác động to lớn đối với cả Mô hình Chuẩn và lí thuyết trường lượng tử tương đối tính cục bộ. “Nó sẽ không đánh đổ một mô hình đặc biệt nào, nó chỉ đòi hỏi xem xét lại toàn bộ phương thức mà chúng ta nghiên cứu vật lí hạt”.

Đội MINOS sẽ tiếp tục thực hiện các phép đo sự chênh lệch khối lượng phản neutrino, với lần chạy hiện nay sắp kết thúc, và lần chạy tiếp theo sẽ diễn ra vào tháng 9 tới. “Nếu kết quả trên được chứng minh là thật, thì chúng ta có thể nhìn vào một ý nghĩa 3 sigma vào tháng 2 năm 2012”, Thomas nói.

Các kết quả được trình bày hồi đầu tuần này tại hội thảo Neutrino 2010 ở Athens, Hi Lạp.