Hạt Neutrino

Hạt Neutrino (đọc là: Niu-tri-nô, được ký hiệu bằng ký tự Hy Lạp ν) là một fermion (hạt sơ cấp có spin bán nguyên 1/2) chỉ tương tác với các hạt sơ cấp khác thông qua tương tác hạt nhân yếu và tương tác hấp dẫn. Neutrino có khối lượng nhỏ hơn rất nhiều so với các hạt cơ bản khác từng được biết đến. Kích thước của neutrino xấp xỉ 1 yoctomet (ym).

Tên gọi 'neutrino' bắt nguồn từ hai đặc tính cơ bản, đó là trung hòa điện (neutral-) và khối lượng rất nhỏ (-ino). Tương tác hạt nhân yếu có khoảng cách tác dụng ngắn, tương tác hấp dẫn gần như là bằng không ở cấp độ nguyên tử. Neutrino là một lepton nên không tham gia vào tương tác hạt nhân mạnh. Ba yếu tố này dẫn đến khả năng tương tác yếu cực kỳ yếu của neutrino, cho phép nó đi xuyên qua lớp vật chất rất dày mà không tương tác vật lý.

Tương tác hạt nhân yếu tạo ra ba loại neutrino gồm electron neutrino (νₑ), muon neutrino (νₘᵤ), và tau neutrino (ν_τ), tương ứng với ba loại lepton mang điện (e, μ, τ) cùng hương. Mặc dù trước đây tin rằng neutrino là hạt không khối lượng, hiện nay chúng ta biết rằng có ba trạng thái khác nhau với khối lượng khác nhau, không tương ứng với các trạng thái hương nêu trước. Neutrino luôn được tạo ra trong tương tác yếu với một trạng thái hương nhất định, và theo cơ học lượng tử, trạng thái hương này là sự kết hợp của ba trạng thái khối lượng.

Mỗi loại neutrino đi kèm với một phản neutrino, cũng mang spin bán nguyên và trung hòa điện. Neutrino và phản neutrino khác nhau về số lepton và chiral. Trong phân rã beta(+), electron neutrino được tạo ra cùng với positron, không phải electron. Tương tự, trong phân rã beta(-), phản electron neutrino được tạo ra cùng với electron.

Neutrino có thể được tạo ra từ nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phân rã beta của các hạt nhân nguyên tử hoặc hadron, các phản ứng hạt nhân (như trong các nhà máy điện nguyên tử, trong lõi của các ngôi sao) hoặc khi sử dụng các chùm tia năng lượng cao để bắn vào các bia nguyên tử. Hầu hết neutrino trên Trái Đất được tạo ra từ các phản ứng hạt nhân nhiệt xảy ra bên trong Mặt Trời. Trên bề mặt Trái Đất, khoảng 65 tỷ neutrino đi qua mỗi centimeter vuông mỗi giây.

Hiện nay, các hoạt động nghiên cứu về neutrino đang được tập trung mạnh mẽ với mục tiêu tìm ra khối lượng của neutrino, đo đạc góc pha quyết định sự vi phạm đối xứng CP (góc pha này rất quan trọng trong việc hiểu về hiện tượng leptogenesis xảy ra ngay sau Big Bang), tìm kiếm các dấu hiệu của vật lý ngoài Mô Hình Chuẩn như phân rã beta kép không có neutrino hoặc sự vi phạm số lepton. Neutrino cũng có thể được sử dụng trong kỹ thuật thấu kính tomography để phân tích các hiện tượng trong lòng Trái Đất.

Lịch sử của neutrino

Giả thuyết Pauli về neutrino

Neutrino được đề cập đầu tiên bởi Wolfgang Pauli vào năm 1930 để giải thích nguyên lý bảo toàn năng lượng, động lượng và spin trong phân rã beta. Trái ngược với Niels Bohr, người đã đề xuất rằng bảo toàn năng lượng là một hiện tượng mang tính thống kê để giải thích phổ năng lượng liên tục của electron thoát ra từ phân rã beta, Pauli giả thuyết rằng có một loại hạt không quan sát được, sinh ra cùng với electron trong phân rã và mang theo một phần năng lượng. Ông gọi hạt này là 'neutrino', sử dụng hậu tố '-on' tương tự như proton hay electron.

Sau đó, hai năm sau vào năm 1932, James Chadwick phát hiện ra một loại hạt mới trong cấu trúc của nhân nguyên tử, có khối lượng gần bằng proton và ông đặt tên cho nó là neutron. Việc này dẫn đến việc hai loại hạt này được gọi chung là neutron. Pauli đã sử dụng thuật ngữ 'neutron' để chỉ cả hai loại hạt này, loại hạt trung hòa này giúp bảo toàn năng lượng trong quá trình phân rã beta và một loại hạt trung hòa được giả định nằm trong nhân nguyên tử. Từ 'neutrino' bắt nguồn từ Enrico Fermi, người đã sử dụng thuật ngữ này trong một hội nghị ở Paris vào tháng 7 năm 1932 và trong hội nghị Solvay tháng 10 năm 1933. Sau này, Pauli cũng bắt đầu sử dụng thuật ngữ này thay cho 'neutron'.

Theo lý thuyết Fermi về phân rã beta, neutron - khám phá của Chadwick - có thể phân rã thành một proton, một electron cùng với một loại hạt trung hòa nhỏ hơn:

Trong một bài báo khoa học viết vào năm 1934, Fermi đã kết hợp giả thuyết neutrino của Pauli, lý thuyết về positron của Paul Dirac và mô hình neutron-proton của Werner Heisenberg vào một lý thuyết khá vững chắc. Lý thuyết này của Fermi đã đặt nền móng cho các nghiên cứu thực nghiệm về tương tác yếu nói chung và vật lý neutrino nói riêng. Tuy nhiên, tạp chí Nature đã từ chối đăng kết quả của Fermi vì cho rằng lý thuyết này 'quá xa vời so với thực tế'. Fermi đã nộp bài báo đó cho một tạp chí chuyên ngành tại Ý và được chấp thuận cho đăng, nhưng vì lý thuyết của ông thu hút quá ít sự quan tâm từ cộng đồng khoa học vào thời điểm đó, ông đã chuyển sang nghiên cứu vật lý thực nghiệm.

Tuy nhiên, ngay trước năm 1934, đã có bằng chứng thực nghiệm cho thấy sự ngược lại với ý tưởng của Bohr về việc năng lượng không được bảo toàn trong phân rã beta. Tại hội nghị Solvay năm 1934, kết quả từ các phép đo phổ năng lượng của các electron trong các phân rã beta đã chỉ ra rằng tồn tại một giới hạn năng lượng (một cận trên) của electron (không có một phân rã nào có thể sinh ra electron với năng lượng lớn hơn giới hạn này). Một giới hạn năng lượng như vậy phải là kết quả của định luật bảo toàn năng lượng, bởi nếu năng lượng chỉ được bảo toàn theo cách thống kê như ý tưởng của Bohr, sẽ phải có ít nhất vài trường hợp phân rã mà năng lượng của electron lớn hơn giới hạn được tìm thấy. Lời giải thích đơn giản cho hiện tượng phổ năng lượng liên tục của electron trong phân rã beta chính là sự tồn tại của một loại hạt mới, mà chúng ta chưa quan sát được, đã mang đi một phần năng lượng của phân rã, phần còn lại là năng lượng của electron mà chúng ta có thể quan sát được. Pauli đã sử dụng phát hiện này để bắt đầu công khai ủng hộ ý tưởng về hạt 'neutrino' của mình.

Tuy nhiên, ngay trước năm 1934, đã có bằng chứng thực nghiệm cho thấy sự ngược lại với ý tưởng của Bohr về việc năng lượng không được bảo toàn trong phân rã beta. Tại hội nghị Solvay năm 1934, kết quả từ các phép đo phổ năng lượng của các electron trong các phân rã beta đã chỉ ra rằng tồn tại một giới hạn năng lượng (một cận trên) của electron (không có một phân rã nào có thể sinh ra electron với năng lượng lớn hơn giới hạn này). Một giới hạn năng lượng như vậy phải là kết quả của định luật bảo toàn năng lượng, bởi nếu năng lượng chỉ được bảo toàn theo cách thống kê như ý tưởng của Bohr, sẽ phải có ít nhất vài trường hợp phân rã mà năng lượng của electron lớn hơn giới hạn được tìm thấy. Lời giải thích đơn giản cho hiện tượng phổ năng lượng liên tục của electron trong phân rã beta chính là sự tồn tại của một loại hạt mới, mà chúng ta chưa quan sát được, đã mang đi một phần năng lượng của phân rã, phần còn lại là năng lượng của electron mà chúng ta có thể quan sát được. Pauli đã sử dụng phát hiện này để bắt đầu công khai ủng hộ ý tưởng về hạt 'neutrino' của mình.

Phát hiện bằng phương pháp đo trực tiếp

Vào năm 1942, Wang Ganchang đã đề xuất sử dụng hiện tượng hấp thụ beta để phát hiện neutrino. Trong một bài báo xuất bản trên tạp chí Science vào ngày 20 tháng 7 năm 1956, Clyde Cowan, Frederick Reines, F. B. Harison, H. W. Kruse và A. D. McGuire đã xác nhận thành công việc đo đạc trực tiếp neutrino, một thành tựu vĩ đại, xứng đáng với Giải Nobel Năm 1995.

Trong thí nghiệm đầu tiên phát hiện neutrino, được biết đến ngày nay với tên gọi Thí nghiệm Cowan-Reines, các anti-neutrino từ một lò phản ứng hạt nhân đã tương tác với proton để tạo ra neutron và positron. Đây là một phản ứng phân rã beta nghịch:

Phản neutrino {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}+p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}}

Position là antiparticle của electron nên sẽ bị hủy khi gặp electron trong vùng gần. Kết quả của quá trình này là phát ra hai tia gamma có năng lượng đặc trưng là 0.51 MeV. Neutron có thể được phát hiện bằng cách quan sát khi hạt nhân hấp thụ neutron và phát ra bức xạ gamma đặc trưng. Vì vậy, dấu hiệu của một neutrino tương tác với máy đo sẽ là hai tia gamma xảy ra gần nhau, một từ sự hủy positron và một từ quá trình hấp thụ neutron.

Các hướng của neutrino

Phân loại

Có ba loại neutrino chính sau đây:

- Neutrino electron ν_e, xuất hiện cùng với positron trong quá trình phân rã beta dương tính của neutron.

Khối lượng và tương tác hấp dẫn

Neutrino được phát ra trong các vụ nổ siêu tân tinh, không có khối lượng. Theo Định luật bảo toàn khối lượng (trong hạt vật chất của vũ trụ, nếu khối lượng giảm mà năng lượng vẫn còn thì phải có sự bù vào).

Neutrino đối với thiên văn học

Trong các loại neutrino, chỉ có neutrino electron có ảnh hưởng thực tế trong thiên văn học do khả năng tương tác rất nhỏ của chúng, còn lại là nhờ khả năng xuyên thấu rất lớn. Ví dụ: chiều dài quỹ đạo tự do của một hạt neutrino, mang năng lượng 1 MeV, trong kim loại chì là 10m, tương đương với 100 năm ánh sáng. Với khả năng này, neutrino trong vũ trụ dễ dàng xuyên qua các phản ứng hạt nhân trong các ngôi sao và mang đi một phần năng lượng đáng kể của sao (thiên văn học neutrino).

Do tính tương tác yếu nên các neutrino rất khó để nắm bắt, và chúng được giả định là một thành phần của vật chất tối trong vũ trụ.

Ứng dụng

Việc chế tạo các kính thiên văn neutrino giúp chúng ta khám phá bên trong của mặt trời.