Sâu trong lòng đất tại Nam Dakota, một dự án lớn đang được thực hiện để lắng nghe tiếng vọng từ 13 tỉ năm trước, nhằm tìm ra lời giải đáp cho câu hỏi: tại sao vũ trụ này lại được hình thành.
Theo lý thuyết vật lý hiện tại, vật chất - thứ mà chúng ta thấy, cảm nhận trong vũ trụ không tồn tại khi song song với nó là phản vật chất (doppelgänger) có các tính chất như nhau nhưng trái dấu và spin. Hạt và phản hạt được tạo ra nhưng sẽ tìm và huỷ diệt lẫn nhau. Đây được gọi là lý thuyết đối xứng điện tích và phản xạ (CP symmetry).
Khi hai hạt va chạm nhau, chúng tạo ra hạt và phản hạt. Neutrino và phản neutrino được tạo ra ở giây đầu tiên của Big Bang nhưng lại không triệt tiêu nhau. Nguồn: Forbes
Với lý thuyết này, khi Big Bang xảy ra, vật chất và phản vật chất được tạo ra với số lượng tương đương và sẽ tự hủy hoàn toàn, để lại hư không. Nhưng vũ trụ hiện tại lại chứa nhiều vật chất hơn phản vật chất. Điều này khiến các nhà vật lý thắc mắc rằng, bằng một cách nào đó, vật chất đã được tạo ra nhiều hơn, chỉ một chút và nhiêu đó cũng đã đủ để hình thành nên vũ trụ với hàng tỉ ngân hà, hành tinh hiện tại. Sự mất cân bằng này là một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ mà các nhà khoa học muốn tìm câu trả lời. Nó như một tiếng vọng từ xa xưa, từ 13 tỉ năm trước, kêu gọi các nhà vật lý tìm lời giải đáp cho cái ước định hiểu rõ việc gì đã xảy ra khiến vũ trụ này tồn tại, khiến chúng ta tồn tại.
Big Bang và hạt neutrino
Big Bang và một vũ trụ hình thành dựa trên sự mất cân bằng
Theo lý thuyết vật lý hiện tại, vật chất - thứ mà chúng ta thấy, cảm nhận trong vũ trụ không tồn tại khi song song với nó là phản vật chất (doppelgänger) có các tính chất như nhau nhưng trái dấu và spin. Hạt và phản hạt được tạo ra nhưng sẽ tìm và huỷ diệt lẫn nhau. Đây được gọi là lý thuyết đối xứng điện tích và phản xạ (CP symmetry).
Khi hai hạt va chạm nhau, chúng tạo ra hạt và phản hạt. Neutrino và phản neutrino được tạo ra ở giây đầu tiên của Big Bang nhưng lại không triệt tiêu nhau. Nguồn: Forbes
Với lý thuyết này, khi Big Bang xảy ra, vật chất và phản vật chất được tạo ra với số lượng tương đương và sẽ tự hủy hoàn toàn, để lại hư không. Nhưng vũ trụ hiện tại lại chứa nhiều vật chất hơn phản vật chất. Điều này khiến các nhà vật lý thắc mắc rằng, bằng một cách nào đó, vật chất đã được tạo ra nhiều hơn, chỉ một chút và nhiêu đó cũng đã đủ để hình thành nên vũ trụ với hàng tỉ ngân hà, hành tinh hiện tại. Sự mất cân bằng này là một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ mà các nhà khoa học muốn tìm câu trả lời. Nó như một tiếng vọng từ xa xưa, từ 13 tỉ năm trước, kêu gọi các nhà vật lý tìm lời giải đáp cho cái ước định hiểu rõ việc gì đã xảy ra khiến vũ trụ này tồn tại, khiến chúng ta tồn tại.
Vật chất - Phản vật chất cùng các hạt thành phần.
Vũ trụ giãn nở sau Big Bang với nền neutrino là một trong những mảnh ghép lớn nhất của lý thuyết này. Nguồn: Forbes
Nguồn gốc hạt neutrino
Neutrino được cho là một phần của câu đố, là hi vọng các nhà vật lý hạt bám víu vào giải quyết bí ẩn này. Ban đầu, các nhà khoa học phát hiện rằng quá trình nhiệt hạch dẫn đến sự phân rã của các nguyên tử, năng lượng và động năng trước khi xảy ra và sau khi xảy ra không bằng nhau theo định luật bảo toàn năng lượng. Hiện tượng này khiến họ nghi ngờ có sự tồn tại của một hạt nào đó chưa được phát hiện, tạo ra sự chênh lệch về năng lượng này.
Sau đó, vào năm 1930, Wolfgang Pauli, một nhà vật lý lý thuyết người Áo, đã đề xuất sự tồn tại của neutrino giải thích năng lượng bị mất, đồng thời giải thích những điều lạ lùng trước đó như sự phân bố góc và năng lượng không đối xứng. Nhưng mãi hơn 2 thập kỉ sau đó người ta mới xác nhận được sự tồn tại của hạt này trong các phản ứng hạt nhân hay phân rã beta: neutron phân rã thành proton, electron và neutrino.
Mãi đến năm 1956, neutrino mới được phát hiện từ lò phản ứng hạt nhân. Nguồn: Forbes
Neutrino là các hạt hạ nguyên tử vô cùng nhỏ và gần như không có khối lượng và tốc độ nhanh gần với vận tốc ánh sáng. Chúng rất hiếm khi tương tác với các vật chất khác, điều này khiến chúng rất khó phát hiện bởi các máy dò, qua đó khó nghiên cứu. Neutrino được tạo ra với số lượng lớn trong các phản ứng hạt nhân, như những phản ứng xảy ra trong Mặt Trời. Chúng không có điện tích, do đó chúng được gọi là neutrino (nghĩa là “hạt trung hòa nhỏ”). Mặc dù gần như vô hình đối với chúng ta, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu các quá trình như sự nổ siêu tân tinh và vũ trụ sơ khai. Thông tin về chúng vẫn còn là bí ẩn với các nhà khoa học.
Quảng cáo
Neutrino: tắc kè bóng ma khiến các nhà khoa học đau đáu tìm lời giải đáp. Nguồn: Forbes
Cho tới nay, các nhà khoa học đã hiểu được một vài đặc tính của neutrino trong đó có Dao động neutrino với hiện tượng nó có thể thay đổi “hình thái” (electron - νe, muon - νμ, tau neutrino - ντ), và nghiên cứu hành vi biến đổi hình dạng này giúp các nhà vật lý hiểu tại sao vũ trụ ưu ái vật chất hơn phản vật chất, tạo ra sự sáng thế của vũ trụ
Tại sao neutrino lại có thể mang đến câu trả lời cho sự mất cân bằng này?
Vài giây sau khi Big Bang xảy ra, vũ trụ là một thể rất nóng, đặc cùng hàng loạt phản ứng hạt nhân xảy ra tạo thành một số lượng rất lớn neutrino. Lượng neutrino lan rộng ra khắp vũ trụ và được gọi là neutrino tàn tích (relic neutrino). Theo lý thuyết leptogenesis, cho rằng neutrino nặng đã phân rã một cách bất đối xứng, tạo ra nhiều lepton (như electron và neutrino) hơn phản lepton (như positron và phản neutrino). Các lepton này sau đó đã góp phần tạo thành proton và neutron, tạo nên vật chất. Sự thừa lepton này có thể đã làm nghiêng cán cân về phía vật chất, giúp nó sống sót qua quá trình hủy diệt với phản vật chất.
Ngoài ra, việc dao động neutrino (neutrino oscillation) dẫn tới các hạt neutrino có thể thay đổi sang các hình dạng khác cũng là một cách để giải thích tại sao vật chất lại nhiều hơn phản vật chất.
Dự án DUNE
DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) là một trong những dự án khoa học quốc tế lớn, tham vọng nhất trong lĩnh vực vật lý hạt, đặc biệt tập trung vào việc nghiên cứu neutrino và hành vi của chúng. Dự án nhằm trả lời một số câu hỏi lớn trong vật lý, chẳng hạn như:Quảng cáo
- Tại sao vũ trụ chủ yếu được tạo ra từ vật chất mà không phải phản vật chất?
- Các tính chất của neutrino là gì và chúng hoạt động như thế nào?
- Neutrino có thể giúp giải thích cách các vụ nổ siêu tân tinh (các ngôi sao phát nổ) và sự hình thành các lỗ đen như thế nào?
Poster về Dune tại Fermilab. Nguồn: NYTimes
Dự án DUNE được lên ý tưởng vào đầu những năm 2010 và chính thức ra mắt vào năm 2015. Nó được dẫn dắt bởi Phòng thí nghiệm quốc gia Fermi (Fermilab) ở Mỹ. Dự án DUNE có sự tham gia của hơn 1.000 nhà khoa học từ hơn 30 quốc gia. Dự án này cũng có liên kết chặt chẽ với Cơ sở Neutrino Đường cơ sở Dài (LBNF), nơi cung cấp cơ sở hạ tầng cho các thí nghiệm. Họ mong lắng nghe được tiếng thì thầm trả lời cho câu hỏi hàng tỉ năm ước định: làm sao vũ trụ này lại đến được đây?
DUNE hướng tới việc tìm hiểu coi liệu hiện tượng leptogenesis có thật sự tồn tại khi neutrino và phản hạt của nó hành xử bất đối xứng. Ngoài ra, thí nghiệm được tiến hành cũng sẽ nghiên cứu dao động neutrino khi chúng di chuyển để hiểu được rằng liệu việc thay dổi hình dạng có làm tác động đến khối lượng và đặc tính của chúng, dẫn đến hiện tượng bất đối xứng vật chất - phản vật chất.
DUNE với máy phát neutrino và bẫy sâu dưới lòng đất
DUNE bao gồm hai thành phần chính: chùm tia neutrino và các bộ dò. Đây giống như một đường dây điện thoại khi nhóm nghiên cứu sẽ tạo ra tin nhắn với chùm tia neutrino, sau đó gửi đi đi qua lòng Trái đất đến các đầu dây bên kia để nhận tin nhắn này. Đây là cách cơ bản mà hệ thống hoạt động:Chùm tia neutrino
Trụ sở Fermilab. Nguồn: NYTimes
Chùm tia neutrino được tạo ra bởi Fermi National Accelerator Laboratory - Fermilab, có trụ sở bên ngoài Chicago. Fermilab sử dụng máy gia tốc hạt có kích thước lớn, tạo ra một chùm tia neutrino cường độ cao tạo ra các hạt thứ cấp phân rã thành neutrino với các hình thái khác nhau. tạo ra hàng nghìn tỷ neutrino mỗi giây trong một chùm tia hẹp. Chùm tia hẹp này sẽ được truyền qua một quãng đường dài xuyên qua 3 tiểu bang đến bộ dò ở South Dakota.
Mô hình thiết kế khu phức hợp Fermilab. Nguồn: NYTimes
Bộ dò SURF dưới lòng đất
Cách đó 1300km, tại Lead, Nam Dakota, một hang động “điện thoại” cao tầm 7 toà nhà được thiết lập để nhận tin nhắn mà neutrino gửi đến. Nơi hơn một thế kỉ trước vẫn còn là hầm đào vàng thì giờ đã trở thành Sanford Underground Research Facility (SURF). Tại đây, bộ dò sẽ được đặt sâu trong lòng đất để bẫy các neutrino. Bẫy mà DUNE thiết lập bao gồm hai hồ chứa khổng lồ, mỗi hồ chứa 17 ngàn tấn argon đông lạnh, có khả năng ghi lại các hạt neutrino với độ chính xác cao. Việc đặt máy dò này sâu trong lòng đất giúp che chắn các bộ dò khỏi tia vũ trụ và các nhiễu nền khác, cho phép phát hiện neutrino tốt hơn.
Đèn đào hầm tại Sanford. Nguồn: NYTimes
Băng tải tại Yates, địa điểm tại Sandford, nơi đã đưa 800 tấn đá ra khỏi mỏ trong quá trình đào hầm.
Argon được chọn làm môi trường để phát hiện neutrino vì nó số khối lớn dễ tương tác với neutrino. Ngoài ra, nó là khí trơ khiến việc phản ứng hoá học với nguyên tố khác khó xảy ra. Hai yếu tố này đảm bảo sự ổn định của cái bẫy mà DUNE thiết lập. Ngoài ra dạng lỏng đông lạnh có thể tạo ra môi trường đặc, mật độ đủ cao để neutrino có thể tương tác. Và khi một neutrino tương tác với một nguyên tử argon, nó sẽ tạo ra một chuỗi nhỏ các hạt mang điện, và bộ dò có thể ghi lại sự kiện này, cho phép các nhà khoa học tái tạo năng lượng và loại của neutrino. Ngoài ra, cái bẫy này cũng được kì vọng sẽ bắt các hạt neutrino có hình thái khác nhau để các nhà vật lý học nghiên cứu.
Bộ dò gần (tại Fermilab)
View attachment 7981569
Bộ dò gần chứa Argon đặt tại Fermilab.
Bộ dò gần sẽ được đặt gần nguồn neutrino tại Fermilab. Nhiệm vụ của nó là đo các đặc tính của chùm tia neutrino trước khi các hạt bắt đầu hành trình của mình, cung cấp một tiêu chuẩn để so sánh với những hạt neutrino bị bẫy tại SURF.
Khi neutrino bị bẫy tại SURF
Bên trong đường hầm tại Sandford
Neutrino tương tác với bẫy Argon
DUNE sẽ có rất rất ít thời gian, gần như ít hơn 1 phần triệu giây để bẫy chúng, trước khi chúng kịp căng buồm đi tiếp qua vùng Wyoming và xa hơn nữa. Khi đó, một số hạt sẽ trở thành vật chất và tương tác với một nguyên tử argon tạo ra 1 tia sáng và các hạt mang điện, ví dụ như electron, proton hoặc muon, tùy thuộc vào loại neutrino tương tác (neutrino electron, neutrino muon hoặc neutrino tau). Các hạt mang điện này di chuyển qua argon và ion hóa các nguyên tử argon, đánh bật các electron khỏi nguyên tử, tạo ra một vệt ion hóa trong argon lỏng. Ngoài ra, ánh sáng được tạo ra rất quan trọng vì nó được phát hiện bởi các máy dò quang đặt xung quanh bể chứa, giúp xác định rằng một tương tác neutrino đã xảy ra.
Tuy nhiên, đây là một sự tương tác này rất hiếm xảy ra, vì thế hầm chứa phải đủ lớn để có thể bắt được càng nhiều neutrino càng tốt. Đây chính là lý do khiến DUNE phải đào hang thật sâu và lấp đầy số lượng argon khổng lồ.
Điều gì xảy ra sau khi neutrino “bị bắt”?
Mặc dù neutrino không thực sự bị bắt giữ, nhưng sự tương tác của chúng với argon tạo ra các hiệu ứng quan sát được, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu chúng. Bộ dò argon lỏng (buồng thời gian) có thể theo dõi các vệt ion hóa xảy ra sau khi tương tác, cung cấp thông tin để các nhà khoa học có thể tái tạo lại quỹ đạo của các hạt mang điện, tái tạo lại tương tác cùng các hình thái mà nó đã dùng để tương tác. Hơn nữa, đường đi của các hạt cũng sẽ cung cấp thông tin về quá trình tương tác để làm rõ thuộc tính, tính chất của neutrino và sự khác biệt giữa hành vi của neutrino và phản neutrino. Điều này đóng vai trò rất quan trọng trong việc xác định liệu neutrino có thật sự chống lại sự đối xứng để đóng vai trò hình thành nên vũ trụ hiện tại hay không.
Thách thức và ngã rẽ
Dự án đã dược vận hành gần 1 thập kỷ với chi phí đội lên khá nhiều so với ước tính ban dầu. Theo dự đoán thì tới 2040, dự án sẽ tốn đến 3.3. tỉ đô la, chưa bao gồm chi phí nâng cấp bộ dò và có thể đội lên đến 5 tỉ. Ngoài ra, dự án cũng đối mặt với rất nhiều thách thức. Năm 2021, Bộ Năng Lượng đã đánh giá hiệu suất kém cho dự án. Mãi đến năm 2023, phòng thí nghiệm mới được mở lại nhờ sự hỗ trợ của một nhà tài trợ mới. Tuy nhiên, tai nạn xảy ra trong quá trình đào hầm khiến tiến độ bị chậm lại khi các tiêu chuẩn an toàn được thắt chặt hơn.
Bên cạnh đó, các chỉ trích diễn ra thường xuyên khi cho rằng dự án quá tốn kém, quá lớn và chưa mang lại một kết quả khả quan nào. Thậm chí đã có những lời kêu gọi huỷ bỏ dự án. Điều này gây ảnh hưởng đến hơn 1000 nhà khoa học gắn bó với DUNE trong suốt thời gian qua. Nhiều người trong số đó cũng đã bỏ qua những cơ hội khác để theo đuổi đam mê của mình với DUNE.
Tuy nhiên, điều này thật sự hơi vô nghĩa vì một dự án với quy mô lớn như DUNE thì việc cần thời gian và chi phí trước khi thấy được kết quả là điều bình thường. Ngoài ra, DUNE, nếu thành công, sẽ mở ra một tương lai mới khi Mỹ quay trở lại vị thế lãnh đạo ngành vật lý hạt. Huỷ bỏ DUNE tại thời điểm này không khác nào nói với thế giới rằng Mỹ không quan tâm nữa và trao lại ngọn cờ cho một nhóm khác, nhất là Hyper-K của Nhật. Nhóm nghiên cứu này cũng đang theo đuổi mục tiêu tương tự và sẽ sớm vận hành hệ thống vào năm 2027.
Nhưng may mắn là vào năm 2024, một nhóm các nhà khoa học đã lên tiếng kêu gọi sự ủng hộ để DUNE tiếp tục vận hành, phát triển nhằm giải đáp câu đố đau đáu về câu chuyện diễn ra 13 tỉ năm trước: Big Bang và sự hình thành của vũ trụ.
Nguồn: NYTimes
