NEUTRINO: khả năng giải đáp các ẩn đố vũ trụ

Hy Vọng

Dù có kích thước nhỏ hơn các hạt hạ nguyên tử hàng triệu lần, nhưng neutrino lại đóng một vai trò quan trọng chính yếu trong ngành vật lý học và có thể còn là chìa khóa mở ra những ẩn đố lớn nhất trong vũ trụ. Vậy các nghiên cứu về neutrino đang hướng tới mục tiêu nào tiếp theo và nhờ nó chúng ta có thể khám phá ra điều gì?

>>Vật lý hạt nhân mang lại cho chúng ta điều gì?

Ảnh: Live Science.

Vật chất được tạo ra từ các hạt cơ bản. Phần lớn mọi người rồi sẽ nghe nói về các hạt vật chất cơ bản như electron, neutron, và proton – và thậm chí là hạt quark, là hạt cấu thành nên hai loại neutron và proton kể trên. Nhưng với tôi, hạt neutrino là hạt cơ bản mang lại sự kinh ngạc lớn nhất. Chúng ở khắp mọi nơi. Vô số các hạt neutrino được tạo ra từ sự tan chảy hạt nhân trên Mặt trời, trong mỗi một giây, có khoảng 65 tỷ hạt neutrino di chuyển tới mỗi cen-ti-mét vuông bề mặt Trái Đất (bạn có thể tự tính ra con số trên qua đường link này), và trong quá trình di chuyển chúng không thực hiện bất kỳ một phản ứng nào.

Bởi vì neutrino hầu như không tương tác với vật chất khác, các nhà vật lý là Takaaki Kajita và Authur B McDonald đã phải dựng những máy dò khổng lồ được đổ đầy hàng ngàn tấn nước để nghiên cứu chúng. Những gì họ phát hiện cho thấy neutrino thậm chí còn hấp dẫn hơn chúng ta tưởng.

Takaaki Kajita nhận hoa từ trường đại học của ông sau khi giành giải Nobel cùng với MacDonald với nghiên cứu của họ về neutrino (Ảnh của YOSHIKAZU TSUNO/AFP/Getty Images)

Qua thí nghiệm này họ đã phát hiện được rằng neutrino thực sự có khối lượng, chứ không phải không có khối lượng như trước nay mọi người vẫn nghĩ. Trong quá trình di chuyển trong không gian, một hạt neutrino dường như liên tục chuyển đổi qua lại giữa “các dạng” khác nhau của neutrino (neutrino có 3 dạng là electron neutrino, muon neutrino, và tau neutrino), và thay đổi cách chúng tương tác với vật chất. Điều này được gọi là các dao động neutrino. Bạn có thể tưởng tượng điều này giống như một anh bạn nhỏ trong khi chạy với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, lại liên tục đổi màu chiếc áo khoác, mà màu sắc chính là đặc điểm giúp chúng ta nhận dạng được nó. Và các hạt neutrino chỉ có thể chuyển đổi như vậy nếu chúng có khối lượng. Trước khi kết quả từ các thí nghiệm này được công bố, neutrino vốn được thừa nhận là không có khối lượng. Vì vậy rõ ràng đây là một thông tin có tính đột phá.

Theo đuổi các khám phá mới

Từ khi các đặc tính lôi cuốn của neutrino được khám phá vào khoảng năm 2000, một lượng lớn các thí nghiệm đã thành công trong việc tiến hành kiểm tra chúng một cách chi tiết hơn. Tuy nhiên, như thường lệ, khi ta có hiểu biết sâu thêm thì sẽ phát sinh những câu hỏi mới tương ứng. Ngày nay, chúng ta đang nghiên cứu về các dao động neutrino một cách rất cụ thể và hiểu nó khá rõ.

Nhưng một câu hỏi rất quan trọng vẫn còn, đó là: neutrino có dao động giống như phản hạt (anti-particle) của nó: anti-neutrino? Tất cả các hạt đều có các phản hạt. Ví dụ, các hạt electron mang điện tích âm có phản hạt là các hạt positron mang điện tích dương và hạt positron này chỉ được tạo ra trong các phản ứng hạt nhân. Nhưng vì neutrino không mang điện tích, nên khó có thể biết phản hạt của nó trông ra sao. Thực tế nó có thể gần như giống nhau, nhưng hành vi vẫn sẽ khác nhau.

Hiện tại, có hai thí nghiệm dự kiến sẽ nghiên cứu dao động neutrino một cách chi tiết hơn để trả lời cho câu hỏi trên. Hai thí nghiệm đó là: HyperKamiokande ở Nhật và Deep Underground Neutrino ở Mỹ.

Giải đáp bí ẩn Vật chất – Phản vật chất

Tìm ra cách tương tác khác nhau giữa neutrino và anti-neutrino có thể mang lại những hệ quả to lớn vì nó có thể giúp giải đáp một trong những bí ẩn lớn nhất của vật lý học, đó là: Tại sao toàn bộ vũ trụ của chúng ta đều là do vật chất cấu thành? Chúng ta có những lý do thích đáng để tin rằng trong vụ nổ Big Bang, vật chất và phản vật chất được tạo ra với lượng như nhau. Vậy thì toàn bộ phản vật chất đang ở đâu? Chúng ta biết rằng phản vật chất và vật chất tiêu hủy lẫn nhau chỉ trong nháy mắt bất cứ khi nào chúng tương tác với nhau, vậy điều đó có thể là lý do giải thích rằng phản vật chất không ở quanh đây được không? Không hẳn vậy, nếu vậy thì có thể tất cả vật chất sẽ không ở nơi đây.

Trong cách giải thích được ủng hộ hiện nay, một trong những luận điểm then chốt cho rằng vật chất và phản vật chất có cách ứng xử khác nhau. Nhưng sự khác nhau giữa cách neutrino và anti-neutrino chuyển đổi giữa các dạng của chúng như thế nào lại không mang đến một câu trả lời trọn vẹn. Mà câu trả lời đến từ một đáp án cho bí ẩn thứ hai liên quan tới neutrino, đó là: Tại sao khối lượng của neutrino lại quá ư nhỏ bé?

Khối lượng của các hạt vật chất khác, mà tạo ra nhờ kết hợp với hạt Higgs nổi tiếng, thay đổi rất lớn từ hạt electron có kích thước nhỏ hơn hạt proton khoảng 2000 lần, tới các hạt top quark có khối lượng lớn hơn hạt proton khoảng 200 lần. Tuy nhiên, khối lượng các hạt neutrino còn nhỏ hơn khối lượng hạt proton ít nhất 10 tỷ lần. Vậy tại sao neutrino nhẹ hơn rất nhiều so với các hạt khác trong thuyết Mô hình chuẩn (Standard model)? Chúng tôi tin khối lượng của chúng được tạo ra theo các cách khác nhau. Nếu điều này là đúng, chúng ta có thể kết luận rằng có hai phiên bản hạt neutrino (trên cơ sở tính đối ngẫu hạt – phản hạt): một phiên bản có khối lượng nhỏ bé mà chúng ta quan sát ngày nay và phiên bản có khối lượng đặc biệt lớn vốn từng đầy ắp thời khởi thủy của vũ trụ.

Những tính toán của học thuyết này cho rằng nếu những phản hạt của những hạt neutrino nặng này có cách ứng xử khác chúng, thì hệ quả là các hạt neutrino nặng có thể phân rã thành một số các hạt nhỏ hơn như electron và positron. Tuy nhiên, điều này có thể xảy ra một cách “bất đối xứng”, nghĩa là có ít các phản hạt hơn các hạt được tạo ra khi phân rã – mà sau đó, trong các điều kiện của vũ trụ thời kỳ đầu, có thể dẫn đến việc một lượng (tương đối) nhỏ các vật chất còn sót lại đã tạo nên vũ trụ của chúng ta ngày nay.

Do đó, không ngạc nhiên khi mà các nhà khoa học đang đổ rất nhiều công sức để hiểu bản chất của neutrino. Hiện tại, cách duy nhất được biết đến để xác định bản chất thực sự của những hạt neutrino này là tìm kiếm một phản ứng phân rã hạt nhân vô cùng hiếm được gọi là “phân rã kép beta không tạo nên neutrino”. Phân rã này chưa bao giờ được quan sát và chỉ có thể quan sát được nếu các hạt neutrino là khác biệt với các hạt vật chất khác. Có một số thí nghiệm đã sẵn sàng để nghiên cứu một lượng lớn chất đồng vị từ đó nó có thể quan sát sự phân rã này. Hai trong số đó là thí nghiệm SuperNEMO ở Pháp và SNO+, một cải biến của thí nghiệm SNO (Sudbury Neutrino Observatory ) của Arthur McDonald (người đoạt giải Nobel Vật lý 2015) ở Canada.

Vật chất tối có thể do neutrino cấu thành?

Neutrino cũng có thể có khả năng giải thích những quan sát đang làm các nhà vật lý học thiên thể khó xử. Họ đã chỉ ra rằng vật chất trong vũ trụ thực tế nhiều hơn rất nhiều so với số vật chất mà chúng ta đang quan sát trực tiếp. Chúng tôi gọi vật chất chúng ta không nhìn thấy là vật chất tối (dark matter). Lượng vật chất tối mà chúng chưa biết đến nhiều hơn khoảng 5 lần tất cả vật chất chúng ta biết.

Sự phân bổ và di chuyển của các thiên hà giúp các nhà khoa học nhận ra vật chất tối có thể phải ẩn khuất ở các thiên hà đó. (Ảnh của (NASA/CXC/M. Weiss (Chandra X-Ray Observatory: 1E 0657-56) [Public domain], thông qua Wikimedia Commons)

Cho đến khoảng những năm 2000, người ta nghĩ rằng các hạt neutrino “như bóng ma” này có thể chính là vật chất tối, nhưng chúng ta biết rằng chúng không đủ nặng như vật chất tối. Chúng ta đã quan sát được ba loại neutrino – electron, muon và tau – và dường như tất cả các hạt vật chất khác đều có cả ba loại. Vì chúng ta không biết tại sao chỉ có ba loại, nên câu hỏi hiển nhiên là: liệu còn có các loại neutrino nào khác mà có thể giúp chúng ta tìm lời giải cho vật chất tối không?Nhiều thí nghiệm dao động neutrino đang tìm kiếm trong lý thuyết về dao động neutrino những kẽ hở mà có thể được giải thích bằng các loại neutrino khác. Các nhà vật lý học thiên thể cũng đang tìm trong các tia vũ trụ dấu hiệu của các loại neutrino khác.Cái gì tạo ra vật chất tối và tại sao vũ trụ có nhiều vật chất hơn phản vật chất là hai trong số những câu hỏi quan trọng nhất trong vật lý học ngày nay. Nếu chúng ta có thể giải quyết được một trong hai câu hỏi này hoặc thậm chí chỉ giải thích được tại sao khối lượng của neutrino lại nhẹ như vậy, thì đó có thể là bước đột phá chính yếu. Hiện nay đang có một cuộc ganh đua giữa các thí nghiệm trên toàn thế giới để trả lời những câu hỏi kia: cơ hội để đạt được (ít nhất) một giải Nobel nữa nhờ những hạt neutrino hấp dẫn là rất nhiều.

Simon Peeters, Phó giáo sư (Vật lý và thiên văn học), University of Sussex. Nguyên gốc bài báo được đăng trên trang The Conversation. Đọc bài viết gốc ở đây.