Neutrino - Sứ giả liên kết vũ trụ và hạt cơ bản

Nhà vật lý thiên văn Neil DeGrasse Tyson trong khu vực đặt máy dò neutrino ở Super-Kamiokandein - nơi ông làm tập 6 bộ phim tài liệu khoa học “Cosmos: A Spacetime Odyssey” (Vũ trụ: Chuyến du hành không - thời gian) -CosmosonTV

Vũ trụ (tổng thể vĩ mô bao trùm vạn vật, kể cả không gian lẫn thời gian) hay hạt cơ bản (những viên gạch vi mô cấu tạo nên vật chất) - mà con người từng hình dung về hai thái cực vô cùng lớn cũng như vô cùng nhỏ của thế giới tự nhiên - không bất biến. Nhận thức về chúng biến chuyển theo thời đại và nền văn hóa.

Sơ lược hiện tình về vũ trụ

Ngày nay, vũ trụ được hiểu là ra đời cách đây 13,8 tỉ năm từ một nhiệt độ và năng lượng cực kỳ lớn dồn ép trong một không gian vô cùng nhỏ, trong một vụ nổ kinh hoàng được gọi là “Big Bang” và nó giãn nở nhanh chóng.

Thuyết Big Bang dự đoán sự hiện hữu tất yếu của một hiện tượng vật lý mang tên “bức xạ nền vũ trụ”. Đó là ánh sáng tàn dư của thuở hồng hoang cực nóng mà nay nguội đi chỉ còn 2°,725 độ Kelvin đang lan tỏa khắp nơi trong toàn vũ trụ. Ngày nay trong vũ trụ bao la đó tồn tại một thứ “năng - khối lượng gì đó” mà chúng ta chưa biết, chiếm tới 95% tổng lượng vật chất và năng lượng của vũ trụ.

Chúng được gọi là “năng lượng tối” (chiếm khoảng 68%) và “vật chất tối” (chiếm 27%). Còn lại chừng 5% là vật chất bình thường quen thuộc có thể quan sát được thông qua các phản ứng nhiệt hạch (tổng hợp hạt nhân) trong tâm lõi các vì sao làm chói sáng bầu trời. Hạt neutrino, chi phối duy nhất bởi lực hạt nhân yếu, đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong phản ứng nhiệt hạch này.

Năng lượng tối được cho là nguyên nhân gây nên sự giãn nở ngày càng tăng tốc của vũ trụ từ hơn 7 tỉ năm gần đây, ngược lại với sự giản tốc giãn nở trước đó, cách đây từ 13,8 đến 7 tỉ năm. Do tác động hút của trường hấp dẫn của vật chất, vũ trụ đã giảm dần gia tốc giãn nở của thuở ban đầu Big Bang.

Còn vật chất tối bổ sung cho vật chất thông thường để cho các chùm thiên hà xa xăm gắn kết mạnh mẽ mà không tản đi. Vật chất tối này không bức xạ, không bị chi phối bởi ba tương tác cơ bản quen thuộc (lực điện - từ, hai lực mạnh và hạt nhân yếu), khối lượng của vật chất tối có vai trò duy nhất là tạo ra một lực hút để giữ cho các thiên hà gắn kết thành chùm chứ không bay tản đi khắp phía.

Nguồn gốc và bản chất bí ẩn của năng lượng tối (mang tính chất đẩy ra) và vật chất tối (mang tính chất hút vào), hai thành phần chế ngự hầu như toàn diện vũ trụ, là đề tài nóng bỏng của thiên văn và vật lý hạt cơ bản hiện đại.

Như vậy, 95% tổng năng - khối lượng của vũ trụ ở ngoài tầm hiểu biết hiện nay của con người.

 

 Hạt cơ bản

Những viên gạch sơ cấp cấu tạo nên vật chất gồm hai chủng loại: fermion (như quark và lepton) và boson chuẩn (như photon, gluon và W±, Z0).

Có sáu loại quark và sáu loại lepton (trong đó có ba hạt neutrino.) Chỉ có ba lực cơ bản chi phối những tương tác của các hạt cơ bản là hai lực hạt nhân mạnh và yếu, và lực điện - từ. Lực mạnh gắn kết quark trong hạt nhân nguyên tử làm cho vật chất vững bền nói chung.

Lực yếu làm cho hạt nhân phân rã và chi phối toàn diện sự vận hành của neutrino. Lực điện - từ chỉ tác động lên các hạt có điện tích, chẳng hạn electron tương tác với hạt nhân nguyên tử, tạo nên các nguyên tử và phân tử của các chất trong vũ trụ.

Quark cũng như lepton tương tác với nhau thông qua các boson chuẩn để truyền tải lực theo “Mô hình chuẩn” - thành tựu của vật lý hiện đại, trong đó lực yếu và neutrino đóng vai trò tiên phong, quyết định.

Lực yếu chi phối các phản ứng nhiệt hạch trong các thiên thể. Riêng Mặt trời cũng đã phóng ra khoảng ngàn tỉ neutrino từng giây đang xuyên qua mỗi cm² da thịt chúng ta. Neutrino phát tán không những từ các thiên thể mà cũng từ sự phóng xạ tự nhiên của uranium trong tâm lõi của quả đất để tạo nên plasma nóng khoảng 6.000 độ và chuyển dần ra các lớp đất bên ngoài qua núi lửa.

Mới cách đây 18.000 năm, trong giai đoạn cuối của thời kỳ băng thạch, tuyết phủ dày đặc bao trùm cả vùng xích đạo. Biết đâu người tiền sử đã thoát nạn tuyệt chủng trong cái lạnh kinh hoàng này, chính vì núi lửa hoạt động cực kỳ mạnh trong thời kỳ đó, mà nhiệt lượng sản xuất trong lòng Trái đất để núi lửa hoạt động chính là do phóng xạ neutrino tự nhiên này.

Khối lượng “To be or not to be”

Người ta đã biết từ lâu là neutrino có khối lượng quá ư nhỏ nhoi, thậm chí không có. Vậy câu hỏi cực kỳ quan trọng là neutrino có hay không có khối lượng cần được soi sáng và định lượng? Bằng cách nào cân đo những khối lượng quá ư nhỏ bé đó? Cách cân đo này dựa trên sự chuyển hoán giữa ba loại neutrino , , với nhau, điều chỉ có thể xảy ra nếu chúng có khối lượng khác 0 và cũng khác nhau nữa.

Khối lượng khác 0 của neutrino đáp ứng ra sao những câu hỏi về cấu trúc và vận hành nói chung của vũ trụ, tại sao chỉ có vật chất mà vắng bóng phản vật chất trong toàn vũ trụ, bản chất của vật chất tối?

Các nhà vật lý thiên văn dùng nhiều cách thức rất khác nhau để dò tìm neutrino đến từ vũ trụ xa xăm và từ Mặt trời rồi xác định cùng đo lường tính chất của chúng. Ở Kamiokande (Nhật), máy dò chứa 50.000 m3 nước trong vắt đặt dưới hầm mỏ kẽm, ở Homestake (Mỹ) máy dò đặt trong hầm mỏ vàng, ở Baksan (Nga) trong rặng núi Caucasus, ở Sudbury (Canada) nằm sâu trong mỏ thiếc.

 

 Kiên trì quan sát đo lường những tia neutrino đến từ vũ trụ, khởi đầu từ năm 1968 bởi R. Davis, tiếp nối bởi M. Koshiba và K. Kajita ở Super-Kamiokande cũng như bởi A. McDonald ở Sudbury, họ mới khẳng định là neutrino có khối lượng tuy rất nhỏ nhưng khác 0 và mang lại giải Nobel 2015 cho hai vị sau, hai vị trước cũng đã nhận giải này năm 2002 vì mở đường xây dựng những đài “thiên văn - neutrino” cho hậu thế.

Ánh sáng khắp nơi trong vũ trụ đến với chúng ta chỉ là từ vỏ ngoài mặt của các thiên thể vì photon sinh ra trong lõi các tinh tú không thoát nổi ra ngoài vỏ mà bị hấp thụ cùng biến đổi bởi môi trường nóng đặc trong các vì sao. Chính vì photon không thể cho ta thông tin trong tâm lõi các thiên thể nên neutrino được tận dụng để tìm hiểu các hiện tượng xảy ra trong đó, trước hết bằng cách đo lường thông lượng của neutrino sản xuất bởi Mặt trời.

Ngày 24-2-1987, mấy đài “thiên văn - neutrino” ở Nhật, Mỹ, Nga đã quan sát đo lường được cả thảy 24 hạt đến từ một sao siêu mới SN1987A trong thiên hà Magellan cách đây 170.000 năm đã nổ bùng mà độ chói sáng rực rỡ tương đương với mươi tỉ Mặt trời và phát tán tổng cộng 1.058 hạt neutrino.

Những nguồn năng lượng lớn gấp tỉ lần năng lượng mặt trời từ biên ải của vũ trụ như sao siêu mới hay lân cận các lỗ đen cũng phát tán ra neutrino. Ngoài các hầm mỏ đã nói, nhiều đài thiên văn - neutrino đồ sộ - nằm sâu dưới băng tuyết ở Nam cực hay dưới biển cả - được xây dựng để khảo sát đo lường những neutrino năng lượng cực kỳ cao đó. Trên Trái đất, neutrino được các nhà địa - vật lý sử dụng để dò tìm, kiểm soát sự vận hành và an ninh (dân sự, quân sự) của máy điện hạt nhân. ■