Neutrino là một trong những hạt khó nắm bắt nhất trong vũ trụ, chỉ đứng sau vật chất tối siêu bí ẩn. Chúng tham gia vào tương tác hạt nhân yếu và chịu trách nhiệm về phản ứng tổng hợp và phân rã hạt nhân. Bất cứ khi nào một cái gì đó hạt nhân xảy ra, có neutrino. Ví dụ, lõi của Mặt trời là một phản ứng tổng hợp hạt nhân khổng lồ nên tất nhiên nó tạo ra khá nhiều hạt neutrino. Các nhà khoa học nói rằng nếu bạn có thể giơ ngón tay cái lên Mặt trời, khoảng 60 tỷ hạt neutrino sẽ đi qua móng tay cái của bạn mỗi giây. Nhưng neutrino hiếm khi tương tác với vật chất đến nỗi, mặc dù hàng nghìn tỷ tỷ trong số chúng đi qua cơ thể bạn mỗi giây, nhưng trong suốt cuộc đời của bạn, tổng số neutrino sẽ thực sự va vào cơ thể bạn không nhiều hơn một.
Neutrino ma quái đến mức trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã giả định rằng những hạt này hoàn toàn không có khối lượng và di chuyển trong vũ trụ với tốc độ ánh sáng. Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng neutrino rất ít, nhưng chúng rất quan trọng. Khối lượng chính xác là chủ đề của nghiên cứu khoa học tích cực. Có ba loại neutrino: neutrino electron, neutrino muon và neutrino tau. Mỗi loại tham gia vào các loại phản ứng hạt nhân khác nhau, và thật không may, cả ba loại neutrino đều có khả năng kỳ lạ thay đổi danh tính khi chúng di chuyển.
Khối lượng neutrino không có lời giải thích trong Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, lý thuyết hiện tại và tốt nhất của chúng ta về các tương tác cơ bản. Vì vậy, các nhà vật lý muốn làm hai việc: đo khối lượng của ba loại neutrino và hiểu những khối lượng này đến từ đâu. Điều này có nghĩa là họ phải tiến hành rất nhiều thí nghiệm.
Ví dụ, thí nghiệm Kamiokande ở Nhật Bản đã giúp phát hiện neutrino phát ra từ siêu tân tinh 1987A. Đối với điều này, họ cần một bể chứa hơn 50 tấn nước. Đài quan sát neutrino IceCube ở Nam Cực đã quyết định nâng tầm. Đài quan sát này bao gồm một km khối băng rắn ở Nam Cực, với hàng chục chuỗi máy thu có kích thước bằng tháp Eiffel chìm một km trong lớp băng. Sau mười năm hoạt động, IceCube đã phát hiện ra một số neutrino năng lượng nhất trong lịch sử và thực hiện những bước đầu tiên để tìm ra nguồn gốc của chúng.
Cũng thú vị:
- Các hạt đầu tiên trong vũ trụ đã được tái tạo. Cảnh báo spoiler: chúng trông kỳ lạ
- Các nhà vật lý Ukraine đã tham gia khám phá ra một hạt cơ bản mới - oderon
Tại sao cả Kamiokande và IceCube đều sử dụng nhiều nước như vậy? Các nhà khoa học nói rằng một mảnh lớn của hầu hết mọi thứ đều có thể là máy dò hạt neutrino, nhưng nước tinh khiết là lý tưởng nhất. Khi một trong số hàng nghìn tỷ neutrino đi ngang qua va chạm với một phân tử nước ngẫu nhiên, nó sẽ phát ra một tia sáng ngắn. Các đài quan sát chứa hàng trăm thiết bị cảm quang và độ tinh khiết của nước cho phép các thiết bị dò này xác định hướng, góc và cường độ của tia sáng rất chính xác (nếu nước có tạp chất, sẽ rất khó để tái tạo lại nơi tia sáng đến từ bên trong âm lượng).
Những nghiên cứu này thích hợp cho việc tìm kiếm neutrino thông thường, "hàng ngày". Nhưng những hạt neutrino năng lượng cao nhất lại cực kỳ hiếm—và chúng hấp dẫn và thú vị nhất bởi vì chúng chỉ có thể được gây ra bởi những sự kiện khổng lồ lớn nhất trong vũ trụ.
Thật không may, tất cả sức mạnh của IceCube, sau một thập kỷ quan sát, chỉ có thể thu được một số ít neutrino siêu mạnh này. Nhóm nghiên cứu tại sáng kiến Thí nghiệm Neutrino Thái Bình Dương (P-ONE) đã đề xuất biến một phần nhỏ nhưng rộng lớn của Thái Bình Dương thành một máy dò neutrino. Người ta cho rằng các chuỗi máy dò quang dài hàng km sẽ được hạ xuống đáy đại dương, với các phao gắn vào chúng, để các máy dò đứng thẳng đứng trong nước, giống như tảo cơ khí khổng lồ.
Hiện tại, thiết kế P-ONE bao gồm bảy cụm 10 chuỗi, mỗi cụm chứa 20 thành phần quang học. Đây là tổng số 1400 bộ tách sóng quang trôi nổi ở Thái Bình Dương ở khoảng cách vài km. Khi các hạt neutrino chạm vào nước biển và tạo ra một tia sáng nhỏ, các máy dò sẽ có thể theo dõi nó.
Nhưng Thái Bình Dương còn lâu mới sạch, với muối, sinh vật phù du và tất cả các loại chất thải của cá trôi nổi xung quanh. Điều này sẽ thay đổi hành vi của ánh sáng giữa các dây tóc, gây khó khăn cho việc đo chính xác. Do đó, các nhà khoa học lưu ý rằng thí nghiệm sẽ yêu cầu hiệu chuẩn liên tục để điều chỉnh tất cả các biến số và theo dõi neutrino một cách đáng tin cậy. Tuy nhiên, nhóm P-ONE đang nghiên cứu vấn đề này và đã lên kế hoạch tạo bản trình diễn hai luồng nhỏ hơn để làm bằng chứng về khái niệm.
Đọc thêm:
- Các nhà vật lý thiên văn lần đầu tiên theo dõi sự hợp nhất của sao neutron và lỗ đen
- Một hạt lai mới được phát hiện có thể cách mạng hóa ngành điện tử