Đài quan sát Neutrino ngầm Giang Môn dự kiến sớm được đưa vào hoạt động với nhiệm vụ phát hiện ra neutrino: hạt vũ trụ với khối lượng siêu nhỏ hay được gọi là các hạt ma. Máy dò này là một trong ba máy đang được xây dựng trên toàn cầu để nghiên cứu các hạt ma khó nắm bắt nhất với độ chi tiết tốt nhất. Hai máy còn lại, có trụ sở tại Hoa Kỳ và Nhật Bản, vẫn đang được xây dựng.
Do thám neutrino không phải là một kỳ tích nhỏ trong hành trình tìm hiểu vũ trụ hình thành như thế nào. Nỗ lực của các nhà khoa học Trung Quốc dự kiến khởi động máy dò vào năm tới, sẽ đưa công nghệ này lên một tầm cao mới.
Máy dò trị giá 300 triệu USD tại Đài quan sát Neutrino ngầm Giang Môn nằm ở độ sâu 2297 feet (700 mét) dưới lòng đất, Khai Bình, tỉnh Quảng Đông, miền nam Trung Quốc (Nguồn: Ảnh AP/Ng Han Guan)
Neutrino có từ thời Big Bang với hàng nghìn tỷ hạt lao qua cơ thể chúng ta mỗi giây. Chúng phát ra từ các ngôi sao như mặt trời và khi các mảnh nguyên tử va chạm trong máy gia tốc hạt. Các nhà khoa học đã biết về sự tồn tại của neutrino trong gần một thế kỷ, nhưng vẫn đang trong giai đoạn đầu tìm hiểu bản chất thực sự của các hạt này.
Neutrino được ký hiệu bằng ký tự Hy Lạp ν, là một fermion (một hạt sơ cấp có spin bán nguyên ½, chỉ tương tác với các hạt sơ cấp khác thông qua tương tác hạt nhân yếu và tương tác hấp dẫn. Khối lượng của neutrino nhỏ hơn rất nhiều so với khối lượng của các hạt cơ bản khác từng được biết đến. Neutrino lớn bằng khoảng 1 yoctomet(ym).. Tương tác hạt nhân yếu có khoảng cách tác dụng rất ngắn, tương tác hấp dẫn thì gần như là bằng không ở thang độ lớn hạ nguyên tử, còn bản thân neutrino lại là một lepton do đó không thể tham gia tương tác hạt nhân mạnh. Ba yếu tố kể trên dẫn đến khả năng tương tác cực kỳ yếu của neutrino: hạt này có thể đi xuyên qua một độ dày vật chất rất lớn (độ dài thiên văn) mà không gây ra một tương tác nào.
Mặc dù trong một thời gian dài, neutrino được tin là không có khối lượng, hiện nay chúng ta đã biết rằng có ba trạng thái khối lượng khác nhau của neutrino và các trạng thái này không tương ứng với các trạng thái vừa nêu ở trên. Một neutrino luôn được tạo ra trong một tương tác yếu, với một trạng thái xác định. Theo cơ học lượng tử, trạng thái này là sự chồng chập của cả ba trạng thái khối lượng. Hệ quả của sự chồng chập này là hiện tượng dao động neutrino, trong đó neutrino có thể thay đổi hướng của mình. Ví dụ, một electron neutrino được sinh ra từ một phân rã beta có thể được một máy đo đặt ở xa nhận biết như một Muon neutrino hoặc Tau neutrino.
Tương ứng với mỗi neutrino, tồn tại một phản hạt neutrino cũng mang spin bán nguyên và trung hòa về điện. Hạt và phản hạt neutrino được tách biệt với nhau bởi đối nghịch dấu về số lượng tử lepton (gọi tắt là số lepton) và đối nghịch chiral. Để bảo toàn số lepton, trong phân rã beta(+), electron neutrino được tạo ra cùng với positron (phản hạt electron) chứ không phải với electron. Tương tự như vậy, trong phân rã phản beta (hay nhiều người còn gọi là phân rã beta-), một phản electron neutrino sẽ được tạo ra cùng với một electron.
Ảnh chụp Đài quan sát Neutrino ngầm Giang Môn, nơi đặt một máy dò vũ trụ nằm ở độ sâu 2297 feet (700 mét) dưới lòng đất (Nguồn: Ảnh AP/Ng Han Guan.)
Neutrino là hạt ít thông tin nhất hiện nay. Không có cách nào để phát hiện ra chúng mà thay vào đó, các nhà khoa học đo lường những gì xảy ra khi chúng va chạm với các mảnh vật chất khác, tạo ra các tia hoặc các hạt tích điện. Neutrino rất hiếm khi va chạm với các hạt khác, vì vậy để tăng cơ hội phát hiện, các nhà vật lý phải chế tạo các máy dò rất lớn. Máy dò trị giá 300 triệu USD của Trung Quốc, mất hơn 09 năm để xây dựng. Vị trí của nó nằm sâu 2.297 feet (700 mét) dưới lòng đất, bảo vệ khỏi các tia vũ trụ và bức xạ có thể làm mất khả năng đánh hơi neutrino của nó.
Bước cuối cùng trong quá trình xây dựng Đài quan sát là đổ đầy máy dò hình quả cầu bằng một chất lỏng được thiết kế để phát ra ánh sáng khi neutrino đi qua và nhúng toàn bộ máy vào nước tinh khiết. Máy sẽ nghiên cứu phản neutrino, một phản hạt đối lập với neutrino cho phép các nhà khoa học hiểu được hành vi của chúng, được tạo ra từ các vụ va chạm bên trong hai nhà máy điện hạt nhân cách xa hơn 31 dặm (50 km). Khi phản neutrino tiếp xúc với các hạt bên trong máy dò, chúng sẽ tạo ra một tia sáng. Máy dò được thiết kế đặc biệt để trả lời một câu hỏi quan trọng về một bí ẩn lâu đời: Neutrino chuyển đổi giữa ba dạng khi chúng lướt qua không gian và các nhà khoa học muốn xếp hạng chúng từ nhẹ nhất đến nặng nhất.
Vương Nhất Phương, kỹ sư trưởng và quản lý dự án tại Đài quan sát Neutrino ngầm Giang Môn (Nguồn: Ảnh AP/Ng Han Guan)
Máy dò của Trung Quốc dự kiến sẽ hoạt động vào nửa cuối năm 2025. Sau đó, sẽ mất một thời gian để thu thập và phân tích dữ liệu. Vì vậy các nhà khoa học sẽ phải tiếp tục chờ đợi để khám phá hoàn toàn cuộc sống bí mật của neutrino. Hai máy dò neutrino tương tự Hyper-Kamiokande của Nhật Bản và Neutrino ngầm có trụ sở tại Hoa Kỳ đang được xây dựng. Chúng dự kiến sẽ hoạt động vào khoảng năm 2027 và 2031 và sẽ kiểm tra chéo kết quả của máy dò Trung Quốc bằng các phương pháp tiếp cận khác nhau. Các thiết bị này sẽ giúp trả lời cho câu hỏi mà các nhà nghiên cứu là tại sao vũ trụ chủ yếu được tạo thành từ vật chất trong khi phần đối lập của nó – được gọi là phản vật chất – phần lớn bị dập tắt. Các nhà khoa học không biết mọi thứ trở nên mất cân bằng như thế nào, nhưng họ nghĩ rằng neutrino có thể giúp viết ra các quy tắc đầu tiên của vật chất. Các nhà khoa học cho biết bằng chứng có thể nằm ở các hạt.
Từ khóa: Neutrino; hạt vũ trụ;
– CMD –
