Buzz
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: ForbesNguồn 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: NYTimesBộ 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
