Bằng chứng thực nghiệm đầu tiên về phản ứng nhiệt hạch xúc tác lấn át ở nhiều ngôi sao
Một nhóm nghiên cứu quốc tế gồm 100 nhà khoa học là Nhóm hợp tác Borexino, trong đó có nhà vật lý hạt Andrea Pocar tại trường đại học Massachusetts Amherst, mới xuất bản công bố trên "Nature" về việc dò được các hạt neutrino từ mặt trời, lần đầu tiên tiết lộ một cách trực tiếp chu trình nhiệt hạch carbon-nitrogen-oxygen (CNO) hoạt động trong mặt trời của chúng ta.
Chu trình CNO này là nguồn năng lượng nổi trội ở các ngôi sao có khối lượng lớn hơn mặt trời nhưng vẫn còn chưa dò thấy một cách trực tiếp trong bất kỳ ngôi sao nào, Pocar giải thích.
Trong suốt thời gian tồn tại của mình, các ngôi sao lấy năng lượng bằng việc hợp nhất hydrogen vào helium, anh cho biết. Trong các ngôi sao như mặt trời hoặc các ngôi sao có khối lượng nhẹ hơn, điều này thông thường xảy ra qua chuỗi phản ứng “proton-proton”. Tuy vậy, có nhiều ngôi sao nặng hơn và nóng hơn mặt trời của chúng ta, và có những nguyên tố nặng hơn helium trong thành phần của chúng, một đặc tính mà người ta vẫn biết là tính kim loại. Dự đoán từ năm 1930 là chu trình CNO sẽ lấn át trong những ngôi sao nặng.
Là một phần của những quá trình này, các hạt neutrino phát ra đem lại một tín hiệu quang phổ cho phép các nhà khoa học phân biệt được chúng từ “chuỗi proton-proton” hay từ “chu trình CNO”. Pocar nêu, ‘việc xác nhận sự đốt cháy CNO trong mặt trời của chúng ta sẽ giúp chúng ta tin tưởng hơn vào hiểu biết của chúng ta về hoạt động của các ngôi sao”.
Không chỉ có vậy, các hạt neutrino CNO có thể giúp giải quyết được một câu hỏi mở quan trọng trong vật lý sao, anh cho biết thêm. Đó là tính kim loại ở tâm mặt trời của chúng ta, vì có thể được xác quyết bằng tỉ lệ neutrino CNO từ lõi, vốn có liên quan đến tính kim loại ở những phần khác của một ngôi sao. Các mô hình cổ điển đã vận hành theo một cách phức tạp – tính kim loại trên bề mặt được đo đạc bằng phổ quang học không đồng nhất với những đo đạc tính kim loại lớp dưới bề mặt được suy luận từ một phương pháp khác, những quan sát địa chấn học mặt trời (helioseismology).
Pocar cho rằng, thực sự khoa học chỉ có một cách chứng minh trực tiếp những hạt neutrino bằng việc xem xét lõi của các ngôi sao, bao gồm cả mặt trời, nhưng quá khó để đo đạc được chúng. Vì mỗi giây có khoảng 420 tỉ hạt neutrino chạm đến mỗi inch vuông bề mặt trái đất, nhưng gần như là chúng chỉ xuyên qua mà không hề có tương tác. Các nhà khoa học chỉ dò được chúng bằng việc sử dụng những cỗ máy dò lớn với những mức bức xạ nền vô cùng thấp.
Cỗ máy dò Borexino
Cỗ máy dò Borexino được đặt dưới chân núi Apennine ở Trung Ý, trong Phòng thí nghiệm quốc gia Laboratori Nazionali del Gran Sasso của INFN. Nó dò các hạt neutrino nhờ những tia sáng lóe lên khi các hạt neutrino va chạm với các electron trong khối chất sáng nhấp nháy hữu cơ siêu nguyên chất nặng 300 tấn. Độ sâu, kích thước và sự nguyên chất của chúng khiến cho Borexino trở thành một máy dò độc nhất vô nhị trong lớp các thiết bị dò bức xạ nền thấp, Pocar nói. Dự án này ban đầu được hình thành vào đầu những năm 1990 do đề xuất của một nhóm các nhà vật lý do Gianpaolo Bellini ở trường đại học Milan, Frank Calaprice tại Princeton và sau đó là Raju Raghavan ở Bell Labs dẫn dắt.
Cho đến những lần dò gần đây nhất, nhóm hợp tác Borexino đã thành công trong việc đo đạc các thành phần của những luồng xung neutrino mặt trời “proton-proton”, giúp tinh chỉnh lại các tham số dao động-hương neutrino và hấp dẫn nhất là đo đạc bước đầu tiên xảy ra trong chu trình này: các hạt neutrino mức năng lượng thấp “proton-proton”, Pocar kể lại.
Các nhà khoa học đã từng mơ mở rộng phạm vi khoa học để nhìn vào các hạt neutrino CNO – trong một vùng có phổ cực nhỏ với nền bức xạ thấp một cách đặc biệt – nhưng dường như chưa ai làm được điều này. Tuy vậy các nhóm nghiên cứu tại Princeton, Virginia Tech và UMass Amherst tin tưởng các hạt neutrino CNO có thể được tìm ra bằng việc áp dụng các bước và các phương pháp mà họ phát triển để hiểu rõ độ cân bằng của máy dò.
Trải qua nhiều năm và nhờ một loạt các bước để nhận diện và cân bằng được các nền tảng, các nhà khoa học Mỹ và đồng nghiệp của họ đã đạt được thành công. “việc phát hiện ra các neutrino CNO trong công trình xuất bản trên Nature có thể có tiềm năng giúp các nhà khoa học giải quyết được vấn đề tính kim loại“, Pocar nói.
Nhà vật lý hạt Andrea Pocar tại trường đại học Massachusetts Amherst
Trước khám phá về neutrino CNO, họ đã lên kế hoạch cho Borexino kết thúc thời gian vận hành vào cuối năm 2020. Nhưng vì dữ liệu để phân tích cho bài báo Nature chưa sẵn sàng nên họ phải tiếp tục thu thập dữ liệu vì độ tinh khiết tiếp tục được cải thiện, tạo ra một kết quả mới tập trung vào tính kim loại như một điều có thể đạt được, Pocar nói. Dữ liệu thu thập được có thể mở rộng đến năm 2021 khi việc vận chuyển và giấy phép được cấp.
Pocar tham gia dự án này khi tốt nghiệp Princeton, trong nhóm nghiên cứu do Frank Calaprice dẫn dắt, nơi anh làm việc về thiết kế ống nylon và vận hành thử hệ điều khiển chất lỏng. Sau đó anh làm việc với các học trò tại UMass Amherst về phân tích dữ liệu và gần đây nhất là về các kỹ thuật để xác định đặc điểm các nền tảng áp dụng để đo đạc neutrino CNO.
Anh Vũ dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2020-11-neutrinos-yield-experimental-evidence-catalyzed.html
