DUNE - Dự án ngầm lớn nhất nước Mỹ, nơi giải mã nguồn gốc hình thành vũ trụ sau sự kiện Big Bang

Buzz

Nội dung bài viết

Big Bang và những hạt neutrino bí ẩn

Big Bang và vũ trụ được hình thành từ sự bất cân xứng

Nguồn gốc của hạt neutrino

Tại sao neutrino có thể là chìa khóa cho sự mất cân bằng này?

Dự án DUNE

DUNE với hệ thống phát chùm neutrino và bẫy nằm sâu dưới lòng đất

Chùm tia neutrino

Bộ dò SURF dưới lòng đất

Bộ dò gần (tại Fermilab)

Khi neutrino bị bẫy tại SURF

Khi neutrino tương tác với bẫy Argon

Điều gì xảy ra sau khi neutrino được “bắt” ?

Thách thức và ngã rẽ

Xem thêm

Sâu bên trong lòng đất Nam Dakota, một dự án quy mô vĩ đại đang được tiến hành để nghe tiếng vọng từ 13 tỉ năm trước, nhằm tìm ra câu trả lời cho bí ẩn: tại sao vũ trụ lại được sinh ra.

Big Bang và những hạt neutrino bí ẩn

Big Bang và vũ trụ được hình thành từ sự bất cân xứng

Theo lý thuyết vật lý hiện tại, vật chất - thứ mà chúng ta có thể nhìn thấy và cảm nhận trong vũ trụ - không thể tồn tại cùng với phản vật chất (doppelgänger), thứ có các đặc tính tương tự nhưng ngược dấu và spin. Khi hạt và phản hạt gặp nhau, chúng sẽ hủy diệt lẫn nhau. Đây chính là lý thuyết đối xứng điện tích và phản xạ (CP symmetry).

Khi hai hạt va chạm, chúng tạo ra hạt và phản hạt. Neutrino và phản neutrino xuất hiện trong những giây đầu tiên sau Big Bang nhưng không triệt tiêu nhau. Nguồn: Forbes Theo lý thuyết này, sau sự kiện Big Bang, vật chất và phản vật chất được tạo ra với số lượng bằng nhau và lẽ ra sẽ tự hủy hoàn toàn, để lại một vũ trụ trống rỗng. Tuy nhiên, vũ trụ ngày nay lại chứa nhiều vật chất hơn phản vật chất. Điều này khiến các nhà vật lý đau đầu, tự hỏi bằng cách nào mà vật chất lại được tạo ra nhiều hơn, dù chỉ một phần nhỏ, đủ để hình thành vũ trụ với hàng tỷ ngân hà và hành tinh như hiện tại. Sự bất cân xứng này là một trong những bí ẩn lớn nhất mà các nhà khoa học đang cố gắng tìm lời giải, như tiếng vọng từ 13 tỉ năm trước, mời gọi chúng ta tìm ra điều đã thực sự xảy ra khiến vũ trụ và chính chúng ta tồn tại.

Vật chất - Phản vật chất và các hạt cơ bản cấu thành

Vũ trụ giãn nở sau Big Bang, với nền tảng neutrino, là một trong những mảnh ghép quan trọng nhất của lý thuyết này. Nguồn: Forbes

Nguồn gốc của hạt neutrino

Neutrino được xem là mảnh ghép hi vọng mà các nhà vật lý hạt dựa vào để giải quyết bí ẩn này. Ban đầu, các nhà khoa học phát hiện quá trình nhiệt hạch dẫn đến sự phân rã của nguyên tử không tuân theo định luật bảo toàn năng lượng, năng lượng trước và sau khi phân rã không bằng nhau. Điều này khiến họ suy đoán về sự tồn tại của một hạt chưa được phát hiện, gây ra sự chênh lệch năng lượng. Vào năm 1930, nhà vật lý người Áo Wolfgang Pauli đã đề xuất sự tồn tại của neutrino nhằm giải thích năng lượng bị mất và những hiện tượng bất thường như sự phân bố góc và năng lượng không đối xứng. Nhưng phải hơn 20 năm sau, người ta mới xác nhận sự tồn tại của hạt này trong các phản ứng hạt nhân và phân rã beta, khi 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 cực nhỏ, gần như không có khối lượng và di chuyển gần với tốc độ ánh sáng. Chúng rất ít tương tác với vật chất, điều này làm cho việc phát hiện và nghiên cứu chúng trở nên khó khăn. Neutrino được tạo ra với số lượng lớn trong các phản ứng hạt nhân, chẳng hạn như những phản ứng xảy ra bên trong Mặt Trời. Chúng không mang điện tích, vì vậy được gọi là neutrino (nghĩa là “hạt trung hòa nhỏ”). Mặc dù khó nhận biết, neutrino đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu các quá trình như vụ nổ siêu tân tinh và sự phát triển của vũ trụ sơ khai. Tuy nhiên, chúng vẫn là một bí ẩn lớn đối với các nhà khoa học.

Neutrino: hạt ma ám ảnh các nhà khoa học trong cuộc tìm kiếm lời giải. Nguồn: Forbes Cho đến nay, các nhà khoa học đã khám phá được một số đặc tính của neutrino, trong đó có Dao động neutrino, hiện tượng mà neutrino có thể thay đổi hình thái từ electron - νe, muon - νμ, đến tau neutrino - ντ. Việc nghiên cứu hành vi này giúp các nhà vật lý lý giải tại sao vũ trụ lại ưa chuộng vật chất hơn phản vật chất, dẫn đến sự hình thành của vũ trụ như chúng ta biết ngày nay.

Tại sao neutrino có thể là chìa khóa cho sự mất cân bằng này?

Vài giây sau sự kiện Big Bang, vũ trụ còn rất nóng và dày đặc, với nhiều phản ứng hạt nhân tạo ra lượng lớn neutrino. Những neutrino này lan tỏa khắp vũ trụ và được gọi là neutrino tàn tích. Theo lý thuyết leptogenesis, neutrino nặng đã phân rã không đối xứng, sinh ra nhiều lepton (như electron và neutrino) hơn phản lepton (như positron và phản neutrino). Những lepton này đã giúp tạo ra proton và neutron, từ đó hình thành vật chất. Sự thừa lepton có thể đã giúp vật chất sống sót qua quá trình hủy diệt với phản vật chất. Ngoài ra, dao động neutrino, hiện tượng mà neutrino có thể thay đổi dạng, cũng là một cách lý giải 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 quy mô và tham vọng nhất trong lĩnh vực vật lý hạt, tập trung đặc biệt vào việc nghiên cứu neutrino và hành vi của chúng. Dự án nhằm trả lời những câu hỏi lớn của vật lý, như:

Tại sao vũ trụ lại chủ yếu được tạo thành từ vật chất thay vì phản vật chất?
Neutrino có những tính chất gì và chúng vận hành như thế nào?
Neutrino có thể giải thích được cách mà các vụ nổ siêu tân tinh (ngôi sao phát nổ) và sự hình thành lỗ đen diễn ra ra sao?

Poster về Dune tại Fermilab. Nguồn: NYTimes Dự án DUNE được hình thành vào đầu những năm 2010 và chính thức ra mắt vào năm 2015, do Phòng thí nghiệm Quốc gia Fermi (Fermilab) ở Mỹ dẫn dắt. Dự án thu hút sự tham gia của hơn 1.000 nhà khoa học từ hơn 30 quốc gia. Nó có mối liên kết chặt chẽ với Cơ sở Neutrino Đường cơ sở Dài (LBNF), nơi cung cấp cơ sở hạ tầng cho các thí nghiệm. Các nhà khoa học hy vọng sẽ nghe được những âm thanh vọng lại từ quá khứ xa xôi, trả lời cho câu hỏi hàng tỉ năm qua: Làm thế nào mà vũ trụ này lại hình thành? DUNE đặt mục tiêu khám phá xem liệu hiện tượng leptogenesis có thực sự tồn tại khi neutrino và phản neutrino hành xử không đối xứng. Thí nghiệm cũng sẽ nghiên cứu sự dao động của neutrino khi chúng di chuyển, nhằm hiểu liệu sự thay đổi hình dạng này có ảnh hưởng đến khối lượng và đặc tính của chúng, góp phần giải thích hiện tượng bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất hay không.

DUNE với hệ thống phát chùm neutrino và bẫy nằm sâu dưới lòng đất

DUNE bao gồm hai phần chính: chùm tia neutrino và các máy dò. Hệ thống hoạt động tương tự như một đường dây điện thoại, trong đó nhóm nghiên cứu tạo ra chùm tia neutrino giống như tin nhắn, sau đó gửi chúng xuyên qua lòng Trái Đất để các máy dò ở điểm đích nhận được thông điệp này. Đây là nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống:

Chùm tia neutrino

Trụ sở Fermilab. Nguồn: NYTimes Chùm tia neutrino được tạo ra tại Phòng thí nghiệm Gia tốc Quốc gia Fermi - Fermilab, nằm ở ngoại ô Chicago. Fermilab sử dụng một máy gia tốc hạt khổng lồ để tạo ra chùm tia neutrino cường độ cao. Máy gia tốc này sản sinh các hạt thứ cấp, sau đó phân rã thành nhiều dạng khác nhau của neutrino. Mỗi giây, chùm tia hẹp này tạo ra hàng nghìn tỷ neutrino và truyền chúng đi qua ba tiểu bang, đến máy 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 “đường dây điện thoại” khổng lồ cao tương đương 7 toà nhà đã được thiết lập để nhận các tín hiệu do neutrino gửi tới. Nơi này, từng là hầm mỏ vàng hơn một thế kỷ trước, giờ đã trở thành Sanford Underground Research Facility (SURF). Tại đây, các bộ dò được đặt sâu dưới lòng đất nhằm bẫy neutrino. DUNE đã tạo ra bẫy này bằng cách sử dụng hai hồ chứa khổng lồ, mỗi hồ chứa 17 ngàn tấn argon đông lạnh. Những hồ chứa này có khả năng ghi lại các hạt neutrino với độ chính xác cao. Việc đặt máy dò sâu trong lòng đất giúp bảo vệ nó khỏi các tia vũ trụ và nhiễu nền, giúp phát hiện neutrino tốt hơn.

Đèn đào hầm tại Sanford. Nguồn: NYTimes

Băng tải tại Yates, địa điểm tại Sanford, đã vận chuyển 800 tấn đá ra khỏi hầm trong quá trình đào. Argon được chọn làm môi trường phát hiện neutrino nhờ vào số khối lớn của nó, giúp dễ tương tác với neutrino. Thêm vào đó, argon là một khí trơ, hạn chế các phản ứng hóa học với các nguyên tố khác. Điều này đảm bảo tính ổn định cho bẫy mà DUNE thiết lập. Ở dạng lỏng đông lạnh, argon có mật độ cao, tạo ra một môi trường đặc giúp neutrino tương tác dễ dàng hơn. Khi một neutrino va chạm với nguyên tử argon, nó tạo ra chuỗi hạt điện tích nhỏ, và bộ dò sẽ ghi lại sự kiện này, giúp các nhà khoa học tái tạo lại năng lượng và loại của neutrino. Hệ thống này còn cho phép nghiên cứu các dạng khác nhau của neutrino.

Bộ dò gần (tại Fermilab)

Bộ dò gần sẽ được đặt gần nguồn phát neutrino tại Fermilab. Vai trò của bộ dò này là đo lường các đặc tính của chùm tia neutrino ngay từ khi chúng được tạo ra, cung cấp một tiêu chuẩn để so sánh với các neutrino đã bị bẫy tại SURF.

Khi neutrino bị bẫy tại SURF

Bên trong đường hầm tại Sandford

Khi neutrino tương tác với bẫy Argon

DUNE chỉ có một khoảng thời gian cực kỳ ngắn, gần như dưới 1 phần triệu giây, để bẫy neutrino trước khi chúng tiếp tục hành trình qua Wyoming và xa hơn nữa. Trong khoảng thời gian ngắn ngủi đó, một số neutrino sẽ tương tác với nguyên tử argon, tạo ra tia sáng và các hạt mang điện như electron, proton hoặc muon, tùy thuộc vào loại neutrino tương tác (neutrino electron, neutrino muon hoặc neutrino tau). Những hạt mang điện này di chuyển qua argon, ion hóa các nguyên tử argon và tạo ra một vệt ion hóa trong argon lỏng. Ánh sáng phát ra trong quá trình này rất quan trọng vì nó được phát hiện bởi các máy dò quang xung quanh bể chứa, giúp xác định rằng một tương tác neutrino đã xảy ra. Tuy nhiên, vì đây là một sự kiện rất hiếm, nên hầm chứa phải đủ lớn để bắt được càng nhiều neutrino càng tốt, lý do khiến DUNE phải đào sâu và lấp đầy bể chứa bằng argon khổng lồ.

Điều gì xảy ra sau khi neutrino được “bắt” ?

Mặc dù neutrino không thể bị giữ lại thực sự, nhưng khi chúng tương tác với argon, chúng tạo ra các hiệu ứng có thể quan sát được, cho phép các nhà khoa học phân tích chúng. Bộ dò argon lỏng, còn gọi là buồng thời gian, có khả năng theo dõi các vệt ion hóa tạo ra sau khi neutrino tương tác, từ đó giúp các nhà nghiên cứu phục dựng quỹ đạo của các hạt mang điện, hiểu rõ hơn về các tương tác và các hình thái của chúng. Hơn nữa, đường đi của các hạt mang điện sẽ cung cấp thông tin quan trọng về quá trình tương tác, giúp làm rõ đặc tính và sự khác biệt giữa neutrino và phản neutrino. Điều này rất quan trọng để xác định xem neutrino có thực sự góp phần vào sự hình thành của vũ trụ hiện tại hay không.

Thách thức và ngã rẽ

Dự án đã hoạt động gần một thập kỷ và chi phí đã vượt xa dự toán ban đầu. Dự đoán cho biết đến năm 2040, tổng chi phí có thể lên tới 3,3 tỷ đô la, chưa tính đến việc nâng cấp các thiết bị dò và có thể lên tới 5 tỷ đô la. Dự án cũng phải đối mặt với nhiều thử thách. Năm 2021, Bộ Năng Lượng đã đánh giá dự án có hiệu suất kém. Mãi đến năm 2023, phòng thí nghiệm mới được mở lại nhờ sự hỗ trợ từ một nhà tài trợ mới. Tuy nhiên, một tai nạn trong quá trình đào hầm đã làm chậm tiến độ khi các tiêu chuẩn an toàn được thắt chặt hơn. Hơn nữa, dự án thường xuyên đối mặt với chỉ trích vì chi phí quá lớn và chưa mang lại kết quả khả quan. Thậm chí đã có những lời kêu gọi huỷ bỏ dự án, điều này ảnh hưởng đến hơn 1000 nhà khoa học đã gắn bó với DUNE và từ bỏ nhiều cơ hội khác để theo đuổi đam mê của họ. Tuy nhiên, việc một dự án quy mô lớn như DUNE cần thời gian và chi phí trước khi đạt được kết quả là điều bình thường. Nếu thành công, DUNE có thể đưa Mỹ trở lại vị thế lãnh đạo trong ngành vật lý hạt. Huỷ bỏ DUNE vào lúc này tương đương với việc nói với thế giới rằng Mỹ không còn quan tâm và nhường vị trí cho các nhóm khác, như Hyper-K của Nhật Bản, nhóm cũng đang theo đuổi mục tiêu tương tự và dự kiến sẽ bắt đầu vận hành vào năm 2027. May mắn thay, vào năm 2024, một nhóm các nhà khoa học đã kêu gọi sự ủng hộ để tiếp tục phát triển DUNE, nhằm giải đáp những bí ẩn về Big Bang và sự hình thành của vũ trụ cách đây 13 tỷ năm. Nguồn: NYTimes

Nội dung được phát triển bởi đội ngũ Mytour với mục đích chăm sóc khách hàng và chỉ dành cho khích lệ tinh thần trải nghiệm du lịch, chúng tôi không chịu trách nhiệm và không đưa ra lời khuyên cho mục đích khác.

Nếu bạn thấy bài viết này không phù hợp hoặc sai sót xin vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email [email protected]

Các câu hỏi thường gặp

Neutrino là gì và tại sao nó quan trọng trong nghiên cứu vũ trụ?

Neutrino là hạt hạ nguyên tử cực nhỏ, gần như không có khối lượng và di chuyển gần với tốc độ ánh sáng. Chúng rất ít tương tác với vật chất, điều này khiến việc phát hiện và nghiên cứu chúng trở nên khó khăn. Tuy nhiên, neutrino đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu các quá trình như vụ nổ siêu tân tinh và sự phát triển của vũ trụ sơ khai.

Dự án DUNE đang nghiên cứu điều gì về neutrino và vũ trụ?

Dự án DUNE tập trung nghiên cứu neutrino để trả lời những câu hỏi lớn của vật lý, như: Tại sao vũ trụ chủ yếu chứa vật chất thay vì phản vật chất? DUNE cũng sẽ nghiên cứu sự dao động của neutrino để hiểu rõ hơn về hành vi và đặc tính của chúng, từ đó giải thích hiện tượng bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất.

Tại sao lại có sự bất cân xứng giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ?

Theo lý thuyết, sau sự kiện Big Bang, vật chất và phản vật chất được tạo ra với số lượng bằng nhau nhưng vũ trụ hiện nay lại chứa nhiều vật chất hơn. Sự bất cân xứng này có thể do neutrino nặng phân rã không đối xứng, dẫn đến việc sinh ra nhiều lepton hơn phản lepton, giúp vật chất tồn tại qua quá trình hủy diệt với phản vật chất.

DUNE sử dụng công nghệ gì để phát hiện neutrino dưới lòng đất?

DUNE sử dụng hai hồ chứa khổng lồ chứa argon đông lạnh để phát hiện neutrino. Khi neutrino va chạm với nguyên tử argon, chúng tạo ra chuỗi hạt điện tích nhỏ, và các bộ dò ghi lại sự kiện này, giúp tái tạo lại năng lượng và loại của neutrino, đồng thời giảm thiểu nhiễu nền từ vũ trụ.

Các nhà khoa học kỳ vọng gì từ kết quả nghiên cứu của DUNE?

Các nhà khoa học kỳ vọng DUNE sẽ cung cấp những hiểu biết quan trọng về cách vũ trụ hình thành, cũng như lý do tại sao nó chứa nhiều vật chất hơn phản vật chất. Thành công của DUNE có thể giúp Mỹ khôi phục vị thế lãnh đạo trong nghiên cứu vật lý hạt và khám phá những bí ẩn về nguồn gốc vũ trụ.

Chi phí và thách thức lớn nhất của dự án DUNE là gì?

Chi phí dự án DUNE đã vượt xa dự toán ban đầu, có thể lên tới 5 tỷ đô la vào năm 2040. Dự án cũng gặp nhiều thách thức, bao gồm đánh giá hiệu suất kém từ Bộ Năng Lượng và tai nạn trong quá trình đào hầm, khiến tiến độ bị chậm lại và gây ra sự lo ngại về việc tiếp tục đầu tư vào dự án.