2 giải Nobel, 50 năm đi tìm hạt ma bí ẩn và tương lai của vật lý học hiện đại

Neutrino là hạt sơ cấp thuộc nhóm các hạt lepton (xem thêm mô hình chuẩn), có thuộc tính bền, không mang điện và trước giờ được cho là có khối lượng nghỉ bằng 0 hoặc rất nhỏ. Nó bao gồm 3 loại là neutrino electron, neutrino muon và neutrino tau. Năm 1959, nhà thơ John Updike đã viết một đoạn thơ hóm hỉnh cho thấy hiểu biết của các nhà khoa học về Neutrino:
Tuy nhiên, với giải Nobel mới đây thì 1 trong 3 mệnh đề nói trên đã được chứng minh là sai. Nhưng cụ thể hơn thì tại sao các nhà khoa học lại quan tâm về neutrino? Do neutrino không tương tác nhiều như những hạt khác nên các neutrino từ Mặt Trời tạo ra có thể đi tới nhiều nơi hơn trong vũ trụ, tiếp cận tới nhiều ngôi sao hơn và nếu nắm bắt được nó, các nhà thiên văn học có thêm điều kiện nghiên cứu sâu, xa hơn về vũ trụ.

Đồng thời, neutrino còn có thể cung cấp manh mối về bản chất của vật chất tối và năng lượng tối - 2 thách thức lớn nhất mà ngành vật lý phải đối mặt trong thế kỷ 21. Thậm chí người ta vẫn gọi neutrino là hạt ma, hạt bí ẩn và hạt phản xã hội do nó quá khó để nắm bắt, quá khó để nghiên cứu. Phần lớn các hiểu biết về hạt neutrino đều nằm bên ngoài mô hình chuẩn.

Dù vậy, hạt Neutrino vẫn là nguồn gốc của câu đố khó chịu nhất trong vật lý gần 50 năm qua. Vấn đề ở đây là Mặt Trời sản sinh ra hàng nghìn tỷ hạt neutrino mỗi ngày nhưng các thử nghiệm bằng máy dò dưới Trái Đất lại phát hiện ra ít hơn rất nhiều so với dự tính của các nhà khoa học. Và giải quyết điều này, được trao giải Nobel! Tuy nhiên, ở phần sau chúng ta hãy nhìn lại một tý lịch sử, xem ai đã phát hiện ra hạt ma neutrino?

Ai đã phát hiện ra hạt ma?

Nhà vật lý người Áo Wolfgang Ernst Pauli (1900-1958) là người đầu tiên đưa ra sự tồn tại của một loại hạt ma, không thể nhìn thấy được vào năm 1930, khi đang giải thích sự bảo toàn năng lượng trong một dạng phân rã phóng xạ (phân rã beta) trong hạt nhân nguyên tử. Ông nhận thấy rằng dường như năng lượng bị mất đi trong các thử nghiệm ban đầu.

Ông cho rằng điều này là không thể và ông đã đúng! Trong một bức thư gởi tới các đồng nghiệp với tựa đề "Dear Radioactive Ladies and Gentlemen”, ông cho rằng thủ phạm là những hạt rất nhẹ đã lấy đi một phần năng lượng. Sau này, nhà vật lý khác người Ý Enrico Fermi (1901-1954) đã đặt tên cho những hạt rất nhẹ đó là “neutrino”. Lúc đó, Pauli nghĩ rằng hạt này sẽ không bao giờ được phát hiện, ông tuyên bố rằng ông chỉ sẽ đi tìm trong tuyệt vọng một giả thuyết khả dĩ có thể giải thích được cho vấn đề phân rã beta.

Và “sự tìm kiểm trong tuyệt vọng đó” phải kéo dài tới 25 năm sau, khi mà và năm 1956, 2 nhà vật lý là Mỹ Clyde Cowan (1919-1974) và Frederick Reines (1918-1998) đã quan sát được một neutrino đầu tiên nhờ vào sự phát triển của các nhà máy điện hạt nhân, có thể tạo ra các phản ứng tổng hợp cần thiết để sinh ra neutrino. Họ gởi một bức điện cho Pauli về khám phá của họ, sau đó nhận được hồi âm rằng “Tất cả mọi thứ đã đến với tôi - người biết chờ đợi như thế nào”.

Phải làm sao mới quan sảt được neutrino - “Bạn cần phải đi sâu 1 km xuống lòng đất để được nhìn thấy Mặt Trời!"

Tuy nhiên, còn phải mất thêm 10 năm nữa thì người ta mới quan sát được neutrino từ Mặt Trời. Tại sao lâu vậy? Khó khăn nằm ở chỗ là neutrino chỉ tương tác với các hạt khác thông tuqa lực tương tác yếu, có nghĩa là neutrino phải tiến gấn tới các hạt khác, tới gần như sắp chạm tới nhân của chúng vậy. Khi đó, lực tương tác yếu sẽ xuất hiện và cũng do đó nên cực kỳ khó phát hiện neutrino.

Đó là lý do tại sao các nhà vật lý phải xây dựng những thiết bị quan sát neutrino ở dưới lòng đất, nhằm tránh sự can thiệp của những tia vũ trụ xuyên qua khí quyển của Trái Đất. GIáo sư Laureate McDonald, người vừa nhận được Nobel Vật lý mới đây đã hóm hỉnh nói rằng: “Thật mỉa mai nhưng thật sự, bạn cần phải đi sâu 1km xuống lòng đất để quan sát Mặt Trời!”

Đồng thời, người ta cũng phải chôn nhiều bể chứa chất lỏng khổng lồ bên dưới lòng đất nhằm tăng cường khả năng các neutrino từ Mặt Trời đi xuống Trái Đất sẽ tương tác với 1 nguyên tử trong chất lỏng. Khi đó, một quá trình phân rã sẽ xảy ra, 1 electron sẽ được giải phóng và chính cái này mới được phát hiện dễ dàng. Đó, thế mới thấy được sự dũng cảm của các nhà khoa học, họ đã đi tìm chính xác 1 hạt cát trong sa mạc Sahara.

Từ những hạt neutrino từ Mặt Trời bị mất tích tới việc lần đầu tiên quan sát được neutrino từ Mặt Trời

Nhà vật lý Ray Davis Jr là người đầu tiên xây dựng hệ thống quan sát neutrino dưới lòng đất vào năm 1967 tại một khu mỏ bỏ hoang có tên là Homestake thuộc South Dakota. Ông đổ đầy một hồ chứa 600 tấn tetrachloroethene (PCE, một loại dung môi clo thường được dùng để giặt khô) và chờ tới khi có một neutrino nào đó vô tình va chạm với một nguyên tử clo, sau đó thay đổi nó thành một nguyên tử argon.

May mắn thay, hệ thống đã hoạt động, Davis trở thành người đầu tiên phát hiện ra neutrino từ Mặt trời và mang về cho ông 1 giải Nobel (trao năm 2002 cùng với Masatoshi Koshiba và Riccardo Giacconi). Tuy nhiên, vấn đề ở đây là hệ thống tại Homestake được tính toán để bắt được 1 neutrino mỗi ngày, trong khi Davis chỉ thu được 3 ngày/lần. Vậy 2 neutrino còn lại đâu?

Không có ai biết được cho tới tận năm 1962, người ta phát hiện ra dạng thứ 2 của neutrino là muon neutrino. Sau đó tới năm 2000, khi mà người ta phát hiện ra dạng thứ 3 của neutrino là tau neutrino (dự đoán từ năm 1975) thì gia đình neutrino mới được biết tới đầy đủ và cũng từ đó, chìa khóa để giải quyết những hạt neutrino bị mất tích đã có. Điều gì xảy ra nếu các hạt neutrino thay đổi hương vị của nó?

Ơ, hương thơm gì ở đây? Mod có viết sai không? Hay là mod dịch sai? Không! Mời đọc thêm bên dưới để biết hương có liên quan gì ở đây?

Các nhạc công mới của vũ trụ!

Super-Kamiokande là phòng thí nghiệm neutrimo nằm bên dưới lòng một mỏ kẽm cũ được dẫn đầu bởi giáo sư Kajita. Hồi năm 1998 tại đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra dấu hiệu sự trao đổi hương (sự dao động) của các neutrinos. Nhưng phát hiện của họ không thể xác định chính xác quá trình chuyển đổi trực tiếp đó.

Nhưng tại phòng thí nghiệm Sudbury (SNO) nằm sâu 2100 mét dưới lòng đất tại Canada, giáo sư McDonald đã dần đầu nhóm nghiên cứu và làm được điều đó. Mặt Trời chỉ sản sinh ra 1 dạng neutrino là electron neutrino (hoặc neutrino Mặt Trời). SNO được thiết kế để truy tìm các hương khác của neutrino như tau hoặc muon bằng cách những bể khổng lồ chứa nước nặng và muối.

Bằng SNO, các nhà khoa học hy vọng sẽ kiểm chứng được giả thuyết về số lượng neutrio, lý giải được 2 neutrino bị mất tích một cách bí ẩn trước đây. Và họ cho rằng có điều gì đó đã xảy đến khi các neutrino Mặt Trời đi xuống tới Trái Đất. Vào năm 2002, nhóm tuyên bố rằng họ đã tìm được các neutrino bị mất. Hóa ra các neutrino Mặt Trời không bị mất đi, mà nó đã đổi hương nên thoát được sự truy quét của máy dò trong gần 50 năm qua.
Khúc ca vật lý học hiện đại sẽ được viết lên từ các neutrino

Đấy, giải Nobel lần này được trao cho những người đã chứng minh được neutrino có thể đổi hương, có khối lượng. Từ đó, người ta sẽ đưa ra thêm giả thuyết để giải thích làm thế nào nó có khối lượng. Nếu các hạt cơ bản có liên quan tới nguồn gốc khối lượng của neutrino, thì một trong số chúng sẽ liên quan tới vật chất tối, một vật chất bí ẩn chiếm phần lớn trong vũ trụ. Nghiên cứu vẫn còn sẽ tiếp diễn và các khám phá thú vị vẫn còn tiếp tục được hé mở trong tương lai.

Giáo sư Carlo Rubbia, người từng được trao giải Nobel Vật lý năm 1984 cho biết: “Chúng tôi hy vọng quá trình này sẽ diễn ra nhanh chóng. Đây là một lĩnh vực có rất nhiều khám phá mới, nhưng chúng ta không biết được nó sẽ đên từ đâu, đến như thế nào. Tất cả những thứ phải làm bây giờ là can đảm đi tìm thứ sắp được phát hiện ra."