Nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Hokkaido mới đây đã công bố các kết quả nghiên cứu về loại hạt khó nắm bắt nhất hiện nay, được gọi là neutrino, có thể tương tác với các photon, các hạt cơ bản của ánh sáng và các bức xạ điện từ khác. Những phát hiện đó của Kenzo Ishikawa, Giáo sư danh dự tại Đại học Hokkaido, cùng với đồng nghiệp Yutaka Tobita, giảng viên tại Đại học Khoa học Hokkaido, đã được công bố trên tạp chí Physics Open.
Neutrino 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). Tên gọi của neutrino xuất phát từ hai tính chất cơ bản, là trung hòa về điện (neutral-) và khối lượng nghỉ rất nhỏ (-ino). 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 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.
Neutrino có thể được tạo ra theo nhiều cách, bao gồm: Phân rã beta của các hạt nhân nguyên tử hoặc của các hadron, các phản ứng hạt nhân (như trong các nhà máy điện hạt nhân hoặc trong lõi của các ngôi sao) hoặc khi sử dụng các chùm tia năng lượng cao bắn phá các bia nguyên tử. Phần lớn neutrino trên Trái Đất đến từ các phản ứng nhiệt hạt nhân xảy ra trong lòng Mặt Trời. Trên bề mặt Trái Đất, ước tính khoảng 65 tỷ neutrino đến từ Mặt Trời đi xuyên qua một centimeter vuông diện tích mỗi giây. Neutrino hoàn toàn có thể được tạo ra một cách nhân tạo trong các máy gia tốc hạt hoặc các lò phản ứng hạt nhân.
Hiện nay, các hoạt động nghiên cứu liên quan tới neutrino đang được tập trung đầu tư rất mạnh với mục đích là tìm được khối lượng của neutrino, đo đạc góc pha quyết định sự vi phạm đối xứng CP (góc pha này có vai trò quan trọng trong việc hiểu về hiện tượng leptogenesis diễn ra ngay sau Big Bang), tìm kiếm các dấu hiệu của vật lý ngoài Mô Hình Chuẩn (phân rã beta kép không neutrino). Neutrino cũng có thể được sử dụng trong kỹ thuật thấu ảnh tomography để phân tích các hiện tượng diễn ra trong lòng Trái Đất.
Sơ đồ tương tác giữa các hạt trong Mô hình Chuẩn
Kết quả nghiên cứu vừa được công bố đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu các tương tác cơ học lượng tử của một số hạt vật chất cơ bản nhất. Chúng giúp tiết lộ chi tiết về những hiện tượng hiện chưa được hiểu rõ ở mặt trời và các ngôi sao. Neutrino là một trong những hạt cơ bản bí ẩn nhất của vật chất. Chúng cực kỳ khó nghiên cứu vì hầu như không tương tác với các hạt vật chất khác. Chúng trung hòa về điện và gần như không có khối lượng. Tuy nhiên, chúng rất phong phú, với số lượng khổng lồ liên tục phát ra từ mặt trời và đi qua Trái đất, mà hầu như không có bất kỳ ảnh hưởng nào. Việc tìm hiểu về neutrino rất quan trọng cho việc thử nghiệm và hoàn thiện sự hiểu biết hiện tại của chúng ta về vật lý hạt, được gọi là Mô hình Chuẩn.
Trong những điều kiện “cổ điển” thông thường, neutrino sẽ không tương tác với photon. Tuy nhiên, cách thức neutrino và photon có thể được tạo ra để tương tác trong từ trường đều ở quy mô cực lớn, lớn tới 103 km và được thấy ở dạng vật chất được gọi là plasma, xuất hiện xung quanh các ngôi sao. Plasma là một loại khí bị ion hóa, nghĩa là tất cả các nguyên tử của nó đều nhận được sự thừa hoặc thiếu electron, khiến chúng trở thành các ion tích điện âm hoặc dương, thay vì các nguyên tử trung tính xuất hiện trong điều kiện thông thường trên Trái đất. Sự tương tác được các nhà nghiên cứu mô tả liên quan đến một hiện tượng lý thuyết gọi là hiệu ứng Hall điện yếu. Đây là sự tương tác giữa điện và từ trong những điều kiện khắc nghiệt trong đó hai lực cơ bản của tự nhiên là lực điện từ và lực yếu hợp nhất thành lực điện yếu. Đó là khái niệm lý thuyết, dự kiến chỉ áp dụng được trong những điều kiện năng lượng rất cao của vũ trụ sơ khai hoặc trong các va chạm trong máy gia tốc hạt.
Nghiên cứu đã rút ra một mô tả toán học về tương tác neutrino-photon, được gọi là Lagrangian. Điều này mô tả mọi thứ đã biết về trạng thái năng lượng của hệ thống. Ngoài sự đóng góp cho sự hiểu biết của chúng ta về vật lý cơ bản, kết quả nghiên cứu còn có thể giúp giải thích một thứ gọi là câu đố về sự nóng lên của quầng hào quang mặt trời. Đây là một bí ẩn lâu đời liên quan đến cơ chế khiến bầu khí quyển ngoài cùng của mặt trời quầng hào quang ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với bề mặt mặt trời. Sự tương tác giữa neutrino và photon giải phóng năng lượng làm nóng lên mặt trời.
Từ khóa: Hạt nhân; neutrino; photon; plasma;
– CMD&DND –
