Quả cầu khổng lồ ẩn sâu dưới núi ở Trung Quốc phát hiện hạt ma, làm chấn động mọi hiểu biết vật lý của nhân loại

Neutrino có thể hé lộ cho chúng ta điều gì về nguồn gốc của vật chất, năng lượng và mọi thứ mà chúng ta có thể quan sát được.

Sâu 700 mét bên dưới một ngọn núi ở miền Nam Trung Quốc, một quả cầu khổng lồ chứa chất lỏng siêu tinh khiết lặng lẽ theo dõi những hạt nhỏ bé và bí ẩn nhất của vũ trụ. Đó là neutrino, những hạt ma gần như không tương tác với bất kỳ vật chất nào và xuyên qua cơ thể chúng ta với số lượng hàng nghìn tỷ mỗi giây mà ta không hề hay biết.

Tuy nhiên chính những hạt ma này, trong thí nghiệm quy mô lớn mang tên Đài quan sát Neutrino Ngầm Giang Môn JUNO, đã tiết lộ một điều bất ngờ làm rung chuyển nền vật lý hiện đại.

Chỉ sau 59 ngày vận hành, kết quả đã xác nhận sự bất tương hợp bí ẩn giữa neutrino Mặt Trời và neutrino từ lò phản ứng – điều mà các nhà khoa học nghi ngờ trong nhiều năm nhưng chưa ai chứng minh được.

Đằng sau phát hiện này là một công trình có quy mô kinh ngạc. Dưới lớp đá dày, các kỹ sư Trung Quốc xây dựng một quả cầu khổng lồ chứa 20.000 tấn chất phát quang siêu trong. Đây là trái tim của JUNO, hiện được xem là máy dò neutrino lớn nhất và nhạy nhất thế giới.

Bao quanh nó là hơn 43.000 ống nhân quang điện, mỗi ống được tinh chỉnh để ghi lại những tia sáng li ti phát ra khi một neutrino bất ngờ va chạm với proton trong chất lỏng. Số tia sáng này hiếm đến mức mỗi lần xuất hiện đều chứa đựng thông tin quý giá từ vũ trụ.

Quy mô của JUNO vượt xa mọi thí nghiệm tương tự từng được thực hiện. Nó lớn gấp 20 lần KamLAND của Nhật Bản và sở hữu hệ thống thu ánh sáng tinh vi nhất từ trước đến nay. Theo nhà vật lý J. Pedro Ochoa Ricoux của Đại học California Irvine, người tham gia trực tiếp dự án, mức độ yêu cầu kỹ thuật ở JUNO gần như không cho phép sai sót. Thế nhưng sau ba tháng vận hành đầu tiên, toàn bộ dữ liệu đều chứng minh hệ thống hoạt động hoàn hảo.

Dự án trị giá 350 triệu đô la này chính thức vận hành toàn phần vào cuối tháng 8, và chỉ đến tháng 11 đã mang lại phát hiện đầu tiên. Các phép đo cho thấy neutrino từ Mặt Trời có hành vi khác biệt nhẹ nhưng rõ rệt so với neutrino sinh ra từ lò phản ứng hạt nhân. Trước đây, một số thí nghiệm quốc tế đã gợi ý điều này, nhưng JUNO là dự án đầu tiên đạt độ chính xác đủ cao để xác nhận.

Hai tham số dao động quan trọng của neutrino Mặt Trời, theta 12 và delta m bình phương 21, được JUNO đo chính xác hơn 1,6 lần so với tổng hợp tất cả các thí nghiệm trước đây. Giám đốc dự án Wang Yifang cho biết việc đạt độ chính xác này chỉ sau hai tháng chứng tỏ máy dò hoạt động đúng như kỳ vọng của các nhà khoa học.

Phát hiện này đặt ra câu hỏi lớn: liệu các mô hình vật lý hiện tại có đang bỏ sót điều gì về bản chất của neutrino. Không thể dựa vào giả thuyết nhiễu số liệu, vì kết quả đã được xác thực bởi thiết bị tiên tiến nhất hiện nay. Các nhà khoa học phải đối mặt với khả năng rằng đây có thể là dấu hiệu đầu tiên của vật lý mới, điều trước đây chỉ tồn tại trong lý thuyết.

Lịch sử vật lý hạt từng coi neutrino là hạt không khối lượng. Nhưng cuối thế kỷ 20, các thí nghiệm ở Nhật Bản và Mỹ chứng minh neutrino có thể dao động giữa ba dạng electron, muon và tau trong quá trình di chuyển. Sự dao động này chỉ xảy ra nếu neutrino có khối lượng. Tuy nhiên, đến nay vẫn chưa ai biết chính xác khối lượng đó là bao nhiêu và trật tự nặng nhẹ giữa ba dạng neutrino như thế nào.

Đây là sứ mệnh trọng yếu nhất của JUNO. Nếu xác định được trật tự khối lượng neutrino, các nhà khoa học có thể giải mã bí ẩn tại sao vật chất vẫn tồn tại sau Vụ Nổ Lớn thay vì bị tiêu diệt hoàn toàn bởi phản vật chất. Như Sam Zeller, phó giám đốc dự án DUNE của Mỹ từng nhấn mạnh, trật tự khối lượng neutrino có thể là chìa khóa dẫn tới câu hỏi cuối cùng của nhân loại: tại sao chúng ta tồn tại.

Để trả lời câu hỏi này, JUNO cần quan sát những dao động tinh vi trong phản neutrino phát ra từ hai nhà máy điện hạt nhân gần đó. Mỗi neutrino được phát hiện là một mảnh ghép giúp thu hẹp các tham số biến đổi. Dự kiến sau sáu năm, JUNO sẽ có đủ dữ liệu để xác định trật tự khối lượng với độ tin cậy ba sigma, mức độ thuyết phục cao trong lĩnh vực vật lý.

Nỗ lực của JUNO diễn ra trong bối cảnh cuộc đua quốc tế về khoa học neutrino ngày càng căng thẳng. Thí nghiệm DUNE tại Mỹ và Hyper Kamiokande ở Nhật Bản cũng sẽ sớm thu thập dữ liệu để tìm kiếm câu trả lời tương tự. Tuy nhiên, thành công bước đầu của JUNO cho thấy cộng đồng vật lý toàn cầu đang tiến gần hơn bao giờ hết tới việc hiểu rõ một trong những hạt bí ẩn nhất từng được biết đến.

Không chỉ phục vụ mục tiêu vật lý hạt, JUNO còn có độ nhạy đủ để quan sát các hiện tượng khác trong vũ trụ và ngay trên Trái Đất. Nếu một siêu tân tinh bất ngờ nổ gần thiên hà, JUNO có thể là một trong những thiết bị đầu tiên phát hiện tín hiệu neutrino phát ra, từ đó cảnh báo sớm cho các nhà thiên văn học.

Máy dò này còn có thể quan sát geoneutrino, loại neutrino sinh ra từ quá trình phân rã phóng xạ trong lòng Trái Đất, giúp trả lời câu hỏi về lượng nhiệt mà hành tinh chúng ta tạo ra từ bên trong.

Theo ông Cao Jun, giám đốc Viện Vật lý năng lượng cao Trung Quốc, JUNO sẽ tiếp tục hoạt động trong nhiều thập kỷ, không chỉ mang đến thêm những phát hiện quan trọng mà còn đào tạo thế hệ nhà khoa học mới cho ngành vật lý hạt trên toàn cầu.

Nhìn tổng thể, mỗi khám phá liên quan đến neutrino đều đưa con người tiến gần hơn tới việc giải mã nguồn gốc vật chất, năng lượng và cấu trúc của vũ trụ. Những hạt nhỏ bé gần như không tương tác này có thể là chìa khóa then chốt để hiểu tại sao vũ trụ tồn tại như ngày nay. Và quả cầu khổng lồ nằm sâu dưới ngọn núi ở Trung Quốc đang âm thầm viết những chương đầu tiên của hành trình ấy.