Ngay lúc này, khi bạn đang đọc dòng chữ này, có hàng nghìn tỷ hạt vô hình đang xuyên qua cơ thể bạn mỗi giây. Phần lớn chúng đến từ Mặt Trời, từ chính Trái Đất dưới chân và bầu khí quyển trên đầu. Trong dòng thác hạt bất tận và huyền ảo ấy, có những sứ giả rất đặc biệt đã xuyên không mang theo lịch sử vũ trụ suốt hàng tỉ năm. Chúng là tàn dư của những ngôi sao đã chết rất lâu trước khi Mặt Trời của chúng ta được hình thành.
Đó là những thiên sứ của thời gian: neutrino sinh ra từ các vụ nổ siêu tân tinh - những vụ nổ xảy ra khi các ngôi sao có khối lượng lớn kết thúc vòng đời của mình, trải khắp lịch sử của Vũ trụ.
Khó tìm như hạt ma trong Vũ trụ
Neutrino là một trong những hạt cơ bản - những hạt không thể bị phân chia nhỏ hơn cấu thành nên thế giới vật chất - kỳ lạ nhất mà con người từng biết. Chúng không mang điện tích, có khối lượng nhỏ đến mức gần như bằng không, và quan trọng nhất: chúng gần như không tương tác với bất cứ thứ gì. Một hạt neutrino có thể xuyên thẳng qua một bức tường chì dày hàng năm ánh sáng (~9,5 nghìn tỷ kilomet) mà vẫn không hề có bất cứ sự "va chạm" nào. Chính vì sự lạnh lùng kỳ ảo ấy mà các nhà vật lý thường gọi chúng là những "hạt ma".
Minh họa sao neutron. Ảnh: Raphael concorde, giấy phép mở CC by 4.0
Đặc tính ấy biến neutrino thành một thiên sứ thời gian tuyệt vời. Ánh sáng - thứ ta vẫn dùng để quan sát các ngôi sao hay thiên hà xa xôi thực ra rất dễ bị hấp thụ, tán xạ, che khuất bởi bụi và khí trong không gian giữa các ngôi sao. Neutrino thì không. Một khi sinh ra, chúng bay đi gần như theo đường thẳng, mang theo nguyên vẹn thông tin từ nơi và thời điểm chúng ra đời, bất kể chặng đường có dài đến đâu, có nhiều vật cản đến mức nào.
Neutrino được khai sinh trên giấy từ một ý tưởng kiệt xuất của nhà vật lý người Ý tên là W. Pauli từ năm 1930 khi ông tiên đoán rằng neutrino được sinh ra trong phân rã bêta nhưng không quan sát do tương tác rất yếu với vật chất. Phải mất hơn hai mươi năm sau, hai nhà vật lý người Mỹ mới lần đầu tiên truy vết thành công loại hạt ma này sử dụng neutrino được tạo ra từ các lò phản ứng hạt nhân. Cho đến nay neutrino đã được tìm thấy từ nhiều nguồn khác nhau, từ Mặt Trời, từ bầu khí quyển, từ chính sự phân rã của các nguyên tố nặng trong lòng Trái Đất, đến cả những vật thể thiên văn xa xôi.
Neutrino không chỉ đơn giản là thiên sứ của thời gian mà nó còn là cánh cổng mở ra những hiểu biết mới của nhân loại về cấu trúc sâu của những viên gạch nhỏ nhất cấu thành nên thế giới vật chất.
Các trung tâm nghiên cứu neutrino lớn của thế giới như Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, châu Âu đang đặt vai trò của nghiên cứu khoa học neutrino ở vị trí trọng tâm với nhiều dự án vật lý hạt thuộc dạng lớn nhất thế giới như DUNE, Hyper-Kamiokande, JUNO, NuSCOPE...Những tính chất chưa được khám phá của neutrino có thể thay đổi cách hiểu của nhân loại về thế giới vật chất ở lớp sâu nhất.
Ghi lại lời trăng trối của những vì sao
Để hiểu vì sao các vụ nổ siêu tân tinh lại "sinh" ra neutrino, ta cần hiểu chuyện gì xảy ra ở những giây cuối đời của một ngôi sao. Khi một ngôi sao nặng gấp tám lần Mặt Trời trở lên đốt cạn nhiên liệu thì lõi của chúng không còn gì để chống lại lực hấp dẫn của chính nó. Trong khoảnh khắc chưa đầy một giây, cái lõi to bằng cả Trái Đất sụp đổ xuống thành một khối đặc khủng khiếp - một sao neutron (có kích thước khoảng 10-20km, tương đương kích thước của một thành phố nhỏ. Mật độ của nó lớn đến mức một thìa cà phê vật chất sao neutron có thể nặng tới hàng trăm triệu, thậm chí hàng tỷ tấn trên Trái đất), hoặc một hố đen. Vật chất bị hút vào tâm với tốc độ cao rồi dội ngược trở ra, xé toang ngôi sao trong một vụ nổ chói lòa có thể sáng hơn cả một thiên hà.
Loài người mới "nghe" được một vụ nổ siêu tân tinh sinh ra neutrino đúng một lần vào năm 1987. Ảnh minh họa: Canva
Điều bất ngờ nhất là ánh sáng rực rỡ mà ta nhìn thấy chỉ chiếm khoảng 1% năng lượng của vụ nổ. 99% năng lượng còn lại được giải phóng dưới dạng neutrino - một cơn cuồng phong với khoảng 10⁵⁸ (mười nghìn tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ) hạt neutrino, tuôn ra chỉ trong vài giây. Trong khoảnh khắc ngắn ngủi ấy, một siêu tân tinh tỏa ra neutrino gần với toàn bộ tổng số hạt mà toàn bộ phần còn lại của vũ trụ quan sát được phát ra. Một khoảnh khắc huy hoàng rực rỡ. Một ngôi sao băng hà không phải bằng chớp ánh sáng chói lòa, mà bằng một "tiếng thét neutrino" trong tĩnh lặng.
Những "tiếng thét neutrino" ấy - vụ nổ siêu tân tinh- đang diễn ra ở đâu đó trong Vũ trụ từng giây từng phút. Tuy nhiên, phần lớn những "tiếng thét neutrino" quá xa Trái Đất để con người có thể nghe thấy. Con người đã từng nghe thấy một "tiếng thét neutrino" như vậy - đúng một lần. Tháng 2 năm 1987, một siêu tân tinh bùng nổ ở Đám Mây Magellan Lớn, cách Trái Đất khoảng 163.000 năm ánh sáng. Vài giờ trước khi ánh sáng của nó kịp đến với các kính thiên văn, các máy dò dưới lòng đất ở Nhật Bản, Mỹ và Nga đã bắt được khoảng hai chục hạt neutrino.
Chỉ hai mươi mấy hạt, đến trong khoảng mười giây - nhưng chúng đã xác nhận về cơ bản toàn bộ lý thuyết của chúng ta về cái chết của các vì sao, và khai sinh ra ngành thiên văn học neutrino, được ghi nhận bởi giải thưởng Nobel vật lý năm 2002. Sự kiện SN 1987A vẫn là siêu tân tinh duy nhất mà nhân loại từng "nghe" được bằng neutrino. Ngoài neutrino, các vụ nổ này còn phát tán các nguyên tố nặng được tổng hợp trong lõi của các ngôi sao vào không gian. Chúng được cho là nguồn gốc chính của carbon, oxy, silic, sắt và các nguyên tố khác cấu tạo nên cơ thể con người cũng như thế giới xung quanh chúng ta.
Khúc thụy du của muôn vàn vì sao
Nhưng bắt được neutrino từ một vụ nổ sao đơn lẻ mới chỉ là bước khởi đầu. Mục tiêu lớn hơn của các nhà khoa học là phát hiện dòng neutrino tích lũy từ tất cả các vụ nổ sao từng diễn ra trong lịch sử vũ trụ
Trên khắp vũ trụ rộng lớn, ở đâu đó luôn có một ngôi sao đang chết - vài chục lần mỗi giây, nếu tính trên toàn bộ không gian quan sát được. Suốt hơn mười ba tỷ năm, kể từ khi những ngôi sao đầu tiên thắp lên, đã có vô số siêu tân tinh bùng nổ và tuôn neutrino vào không gian. Tất cả những "tiếng thét" ấy cộng lại tạo nên một thứ ánh hào quang vô hình lan tỏa khắp bầu trời và không thay đổi theo thời gian. Các nhà khoa học gọi nó là phông neutrino siêu tân tinh khuếch tán (Diffuse Supernova Neutrino Background - DSNB).
Chúng ta có thể hình dung nó như tiếng rì rầm của một biển người, nơi không một giọng nói riêng lẻ nào nghe rõ, nhưng tổng hòa lại thành một âm thanh nền liên tục. Mỗi hạt neutrino trong cái phông ấy là một mảnh ký ức từ một ngôi sao đã chết -có hạt vừa rời khỏi một vụ nổ gần đây, nhưng cũng có hạt đã rong ruổi suốt nhiều tỉ năm, mang theo dấu vết của những vì sao tắt lịm từ thuở bình minh của vũ trụ. Khi bắt được chúng, ta không chỉ quan sát tàn dư của một ngôi sao, mà đọc được cả lịch sử sinh và tử của rất nhiều thế hệ sao trong toàn vũ trụ.
Vấn đề là chính những đặc tính khiến neutrino trở thành sứ giả hoàn hảo cũng khiến chúng gần như không thể bắt được. Dòng DSNB ước tính chỉ vài hạt neutrino đi qua mỗi centimet vuông mỗi giây, và trong số đó, may lắm mới có vài hạt mỗi năm chịu "dừng lại" trong một máy dò khổng lồ. Tìm chúng chẳng khác nào lắng nghe tiếng bước chân của một chú kiến giữa một sân vận động đang gào thét.
Để bắt được những tín hiệu gần như không thể ấy, người ta đã xây Super-Kamiokande - một bể chứa 50.000 tấn nước siêu tinh khiết, đặt sâu 1.000 mét dưới một ngọn núi ở Kamioka, Nhật Bản. Lớp đá dày phía trên chắn bớt các tia vũ trụ gây nhiễu. Bao quanh thành bể là hơn mười một nghìn "con mắt" điện tử - các ống nhân quang khổng lồ - chực chờ ghi nhận từng tia chớp sáng yếu ớt nhất sinh ra khi neutrino va chạm với nước trong bể.
Các nhà khoa học bổ sung một lượng nhỏ gadolinium vào nước siêu tinh khiết giúp máy dò Super-Kamiokande nhận ra các hạt neutrino từ những vụ nổ sao dễ dàng hơn
Cơ chế hoạt động rất tinh tế. Thỉnh thoảng, một phản neutrino từ siêu tân tinh va vào một proton trong nước, tạo ra một positron và một neutron - phản ứng gọi là phân rã beta nghịch (inverse beta decay). Positron lao đi nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng trong nước, tạo nên một vòng sáng xanh mờ gọi là bức xạ Cherenkov - chính là "tia chớp" mà các ống nhân quang nhìn thấy. Nhưng một tia chớp đơn lẻ thì dễ bị nhầm với vô số nhiễu khác. Bí quyết nằm ở hạt neutron được sinh ra: nếu bắt được nó ngay sau đó, ta có một "chữ ký kép" gần như chắc chắn của một hạt neutrino thật.
Và đây là nâng cấp đã thay đổi cuộc chơi. Từ năm 2020, các nhà khoa học bắt đầu hòa tan một lượng nhỏ muối gadolinium vào nước (gọi là dự án SK-Gd). Gadolinium là một "thỏi nam châm" hút neutron: khi nuốt lấy một neutron, nó phát ra một chùm tia gamma (ánh sáng năng lượng cao) sáng rõ, dễ nhận biết hơn nhiều so với tín hiệu mờ nhạt mà nước tinh khiết thông thường tạo ra.
Nhờ đó, Super-Kamiokande có thể phân biệt "tiếng thì thầm" của DSNB trong đại dương tạp âm xung quanh - từ các tia vũ trụ, từ neutrino khí quyển, từ phóng xạ tự nhiên.
Chúng ta đã "nghe" được tiếng vọng của muôn vàn vì sao chưa?
Câu trả lời là: gần lắm rồi, nhưng chưa hoàn toàn chắc chắn. Qua hơn hai thập kỷ tích lũy dữ liệu, Super-Kamiokande đã thiết lập giới hạn nghiêm ngặt nhất thế giới về cường độ của dòng DSNB - loại bỏ những dự đoán "lạc quan" nhất và ép sát các mô hình lý thuyết. Trong một số phân tích, các nhà nghiên cứu đã thấy thấp thoáng một lượng tín hiệu dôi ra so với phông nhiễu - những dấu hiệu đầu tiên, gợi ý rằng DSNB có thể đang ở ngay trước mặt. Chính nhờ kỷ nguyên gadolinium, lần đầu tiên độ nhạy của thí nghiệm chạm tới ngưỡng mà các mô hình tiên đoán sẽ xuất hiện tín hiệu.
Một bước ngoặt vừa xuất hiện. Kết quả phân tích mới nhất vừa công bố tại hội nghị quốc tế Neutrino tổ chức ở California, Mỹ, thí nghiệm Super-Kamiokande công bố đã thấy dấu hiệu của DSNB, với mức độ tin cậy lên đến 99.5% cho việc tìm thấy tín hiệu của những thiên sứ thời gian này.
Công cuộc tìm kiếm những thiên sứ của thời gian vẫn đang diễn ra với mức độ ngày càng cao hơn. Một thế hệ máy dò mới JUNO ở Trung Quốc vừa mới đi vào hoạt động từ đầu năm 2026, Hyper-Kamiokande ở Nhật Bản dự kiến hoạt động từ đầu 2028, và DUNE từ đầu thập kỷ tới sẽ có độ nhạy vượt xa những máy đo hiện tại. Nhiều dự đoán cho rằng trong vòng vài năm tới nhân loại sẽ chính thức "nghe" được tiếng vọng của muôn vàn vì sao đã chết, biến những dấu hiệu mờ nhạt hôm nay thành một khám phá vững chắc.
---
Thông tin tham khảo:
1. https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/sk/about/research/
2. Thông cáo báo chí của thí nghiệm Super-Kamiokande https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/detail/1258