Các nhà vật lý tiến gần tới khối lượng bí ẩn của hạt neutrino
Thí nghiệm hình cầu cho thấy hạt neutrino nhẹ hơn cả triệu lần so với một hạt electron.
Nỗ lực thí nghiệm tiên tiến nhất về khối lượng hạt neutrino đã đặt một giới hạn trên mới về khối lượng của hạt bí ẩn này. Nó sẽ không nặng quá 0,45 electron volts (eV) – nhẹ hơn cả một triệu lần khối lượng của một electron, hạt nhẹ thứ nhì được biết với 511.000 eV.
Kết quả được công bố trên tạp chí Science.
Các hạt neutrino là các hạt cơ bản duy nhất mà người ta chưa biết rõ khối lượng. Việc đo đạc nó có thể đem lại manh mối cốt lõi về cách hạt này thu được khối lượng như thế nào ở thời điểm ban đầu – dù thông qua hạt Higgs boson, như các hạt có khối lượng khác được khám phá, theo Susanne Mertens, một nhà vật lý ở Viện Vật lý hạt nhân Max Planck ở Heidelberg, Đức. Việc biết được khối lượng của chúng có thể rọi ánh sáng mới vào cách các hạt neutrino bắt nguồn từ Big Bang có ảnh hưởng đến sự hình thành của các thiên hà như thế nào, cô cho biết thêm.
Đo lường tốt nhất trước đây, được thực hiện vào năm 2022 với thực nghiệm Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) ở Đức, đã tìm thấy khối lượng hạt neutrino ở mức 0,8 eV. Giờ thì Mertens, phát ngôn viên của nhóm hợp tác KATRIN, và đồng nghiệp của cô đang nghiên cứu dữ liệu thu thập trong vòng 259 ngày và cố gắng hạ thấp ước tính đó xuống còn một nửa.
KATRIN nghiên cứu về hạt neutrino thông qua việc quan sát sự phân rã phóng xạ của tritium, đồng vị của hydro có hai neutron và một proton trong hạt nhân của nó. Khi tritium phân ra, nó bắn ra một electron và một phản neutrino; đó là phản hạt của neutrino và được nghĩ có khối lượng. Phản neutrino có thể bay qua vật chất mà không bị ngăn trở, và do đó bị mất đi, tuy nhiên thực nghiệm này nghiên cứu một phạm vi năng lượng trong các electron còn lại bằng việc khiến chúng di chuyển trong một máy dò chân không dài 23 mét và có hình dạng như một phi thuyền. Khái niệm này đơn giản trên giấy nhưng để thực hiện nhóm nghiên cứu phải vượt qua rất nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật để “thuần hóa” chúng, theo Loredana Gastaldo, một nhà vật lý tại ĐH Heidelberg.
KATRIN đang kết thúc việc thu thập dữ liệu vào năm nay. Một khi các nhà khoa học kết thúc việc phân tích dữ liệu quan sát trong 1.000 ngày, họ chờ đợi ở việc có thể hạ thấp hơn ước tính khối lượng hạt neutrino ở mức cao nhất có thể, tới 0,3 eV, hoặc có lẽ là 0,2 eV. Nếu khối lượng của hạt này gần với 1 eV, một thí nghiệm như KATRIN có thể phải hạ thấp hơn nhữa giá trị thực tế, theo nhà vật lý Alexey Lokhov của Viện công nghệ Karlsruhe. Thậm chí, sẽ cần thiết kế các thực nghiệm có độ nhạy cao hơn – bao gồm một cập nhật trong tương lai gọi là KATRIN++.
Vũ Anh dịch từ Nature
Nguồn: doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-01157-1
