Khám Phá Nguồn Gốc Của Hạt Neutrino: Đột Phá Sau Một Thế Kỷ

Các chuyên gia nghiên cứu đã đạt được một thành tựu đột phá khi khám phá ra nguồn gốc của hạt neutrino mang năng lượng cao, một vấn đề đã tồn tại và gây nhiều thắc mắc trong suốt một thế kỷ qua. Điều này mở ra nhiều khả năng mới trong việc hiểu biết về vũ trụ và các hiện tượng vật lý cơ bản.

Bạn có biết rằng hạt neutrino – một loại hạt lượng tử gần như không có điện tích – lại thường xuyên xuất hiện trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta? Hàng tỷ hạt neutrino đi qua cơ thể chúng ta mỗi giây mà chúng ta không hề nhận biết. Loại hạt này, được gọi là “hạt ma”, rất khó để quan sát do tính chất hiếm khi tương tác với mọi vật chất xung quanh.

Mặc dù phần lớn các hạt neutrino đến từ Mặt Trời, nhưng có một lượng nhỏ phát sinh từ những vùng xa xôi của vũ trụ. Việc xác định nguồn gốc của chúng từ lâu đã là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học.

Đài quan sát IceCube Neutrino ở Nam Cực, cùng với nhiều đài quan sát khác trên toàn cầu, đã cùng nhau phát hiện một neutrino đến từ một thiên hà hình elip lớn có một hố đen siêu khối lượng đang quay rất nhanh ở trung tâm.

Thú vị hơn, những neutrino vũ trụ này đi cùng với các tia vũ trụ, những hạt năng lượng cao rơi xuống Trái Đất. Nhờ đó, thiết bị không chỉ phát hiện được một neutrino mà còn ghi nhận cả các tia vũ trụ có năng lượng cao.

Lịch sử nghiên cứu về các tia vũ trụ bắt đầu từ năm 1912, khi các nhà thiên văn học lần đầu tiên tìm thấy chúng. Thời điểm đó, kiến thức hạn chế về các hạt khiến việc tìm hiểu về các tia vũ trụ trở nên vô cùng khó khăn.

“Chúng tôi đã mất cả thế kỷ để xác định nguồn gốc của các tia vũ trụ này và giờ đây chúng tôi đã thành công,” Francis Halzen, nhà lãnh đạo nghiên cứu tại Đài quan sát IceCube cho biết.

Đồ họa mô phỏng về nguồn phát vừa phóng ra neutrino cùng với tia vũ trụ với tốc độ khủng khiếp. Lỗ đen siêu lớn ở trung tâm thiên hà hoạt động mạnh mẽ, phóng ra dòng vật chất mạnh vào không gian và vuông góc với đĩa thiên hà. (Ảnh: DESY, Science Communication Lab).

Công Trình Kết Hợp Quốc Tế

Quá trình nghiên cứu bắt đầu từ hệ thống IceCube, một máy dò hạt có độ nhạy rất cao được chôn sâu khoảng 1,5 km dưới lớp băng dày ở Nam Cực. Hệ thống này bao gồm 86 dây cáp, mỗi dây giữ 60 mô-đun quang học nhạy bén giúp phát hiện ánh sáng mà neutrino phát ra khi tương tác với các hạt nguyên tử.

Được thiết kế để xác định ánh sáng xanh đặc trưng phát ra từ neutrino, máy dò này phải được bảo vệ khỏi những tác động từ các hạt không phải neutrino để có thể đạt được kết quả chính xác.

“Để phát hiện tín hiệu từ tương tác cực kỳ nhỏ của neutrino, việc xây dựng một máy dò lớn là điều cần thiết,” tiến sĩ Susan Cartwright từ Đại học Sheffield cho biết. Trong một năm, máy dò chỉ phát hiện được vài trăm hạt neutrino, nhưng tần suất tương tác của chúng với môi trường xung quanh rất hiếm.

Việc đo đạc neutrino khi chúng tương tác với mọi vật xung quanh là một bước tiến quan trọng để xác định nguồn gốc của chúng. Điều này được ví như việc tìm kiếm một ánh đèn nhỏ giữa màn pháo hoa chói lọi.

Trước khi có được phát hiện này, IceCube đã ghi nhận một số neutrino ở bên ngoài thiên hà Milky Way mà không xác định được nguồn gốc.

Cuối cùng, vào ngày 22 tháng 9 năm 2017, một hạt neutrino từ xa đã được phát hiện bởi thiết bị này, mang năng lượng lên đến 300 teraelectron volt, gấp 50 lần so với năng lượng của proton trong nam châm gia tốc lớn nhất thế giới.

Sau khi phát hiện, máy dò ngay lập tức gửi thông tin đến các nhà thiên văn toàn cầu để họ có thể tập trung vào khu vực bầu trời đó và tìm kiếm thêm bằng chứng về nguồn gốc của hạt neutrino.

Khoảng 20 kính thiên văn đã sử dụng nhiều dải sóng để quét bầu trời, từ sóng vô tuyến đến tia gamma năng lượng cao. Kết quả quan sát cho thấy nguồn gốc của neutrino này là TXS 0506+056, cách Trái Đất khoảng 4 tỷ năm ánh sáng.

Nghiên cứu cũng đã phát hiện ra rằng nhiều neutrino vũ trụ khác được quan sát vào năm 2014 và 2015 cũng có nguồn gốc xuất phát từ cùng một thiên hà.

“Bằng cách kết hợp tất cả các quan sát từ các đài quan sát trên mặt đất và ngoài không gian, chúng ta đã có được chứng cứ thuyết phục về một nguồn phát neutrino cực mạnh, đồng thời phóng ra các tia vũ trụ,” Albrecht Karle, nhà khoa học tại IceCube cho biết.

Đồ họa mô phỏng về hệ thống IceCube, trạm quan sát neutrino nằm sâu dưới lớp băng dày đặc tại Nam Cực. (Ảnh: IceCube/NSF).

Sự Đa Dạng Trong Vũ Trụ

Với phát hiện này, chúng ta đã xác định được nguồn phát mạnh mẽ đang hoạt động, phóng ra cả ánh sáng và các hạt, trong đó có hạt neutrino, trực tiếp về phía Trái Đất, dẫn đến việc phát hiện tín hiệu mạnh từ chúng.

Các nhà thiên văn đã xác định hàng ngàn nguồn phát tương tự trong vũ trụ, nhưng không có nguồn nào như TXS 0506+056 phóng ra neutrino. “Đây thực sự là một nguồn phát đặc biệt và chúng tôi cần phải tìm hiểu bí mật của nó,” Halzen nhấn mạnh.

Không chỉ tìm ra nguồn phát này, các nhà khoa học còn hy vọng sẽ hiểu được cơ chế tạo ra sức mạnh phóng thích hạt neutrino và tia vũ trụ đồng thời vào không gian với tốc độ khủng khiếp.

Halzen bày tỏ lạc quan rằng những câu hỏi này sẽ sớm nhận được lời giải đáp. Trong tương lai, chúng ta sẽ sử dụng các tín hiệu khác nhau để nghiên cứu vũ trụ, giống như cách mà chúng ta đã thực hiện trong nghiên cứu này.

Phát hiện neutrino cũng mở ra cơ hội tìm hiểu nhiều bí ẩn khác mà chúng ta đang theo dõi. Vào tháng 10 năm 2017, các nhà nghiên cứu đã phân tích va chạm giữa hai sao neutron siêu nặng qua việc quan sát bức xạ điện từ và sóng hấp dẫn phát ra từ chúng.

“Chúng ta đang bước vào thời đại vật lý vũ trụ đa dạng hình thức. Mỗi hình thức, từ bức xạ điện từ, sóng hấp dẫn và giờ là neutrino, đều mang tới cho chúng ta những hiểu biết sâu sắc hơn về vũ trụ cùng với những khám phá quan trọng về các thiên thể và hiện tượng mạnh mẽ nhất trên bầu trời,” France Cordova, giám đốc Quỹ Khoa học Quốc gia cho biết.