Hợp lực để săn tìm các hạt neutrino trơ

Một nhóm nghiên cứu quốc tế gồm 260 nhà khoa học đã tạo ra một trong những thí nghiệm khó thực hiện nhất về các hạt neutrino khó nắm bắt.

Họ thuộc hai nhóm thực nghiệm lớn là MINOS+ tại Fermilab của Bộ Năng lượng Mỹ và Daya Bay ở Trung Quốc. Hiện họ mới thông báo kết quả ban đầu trên Physical Review Letters về việc loại ra những dao động vào một hạt neutrino trơ như lời giải thích cơ bản cho những quan sát bất ngờ từ những thực nghiệm gần đây.

MINOS+ nghiên cứu sự triệt tiêu của các hạt neutrino muon do máy gia tốc của Fermilab tạo ra và truyền đến một máy dò dưới đất cách Minnesota 735 ki lô mét về phía bắc. Daya Bay sử dụng tám máy dò được thiết kế riêng y hệt nhau để đo đạc một cách chính xác cách các hạt neutrino electron phát xạ từ sáu lò phản ứng hạt nhân ở Trung Quốc bị “biến mất” vì biến thành các dạng khác.

Neutrino là các hạt cơ bản, ví dụ như các electron, không thể bị phá vỡ thành các hợp phần nhỏ hơn. Chúng không giống như bất kỳ hạt đã biết nào bởi chúng có khả năng xuyên qua một khối lượng lớn vật chất mà không bị cản lại. Nếu một hạt neutrino nào đó bị bắn từ bề mặt của trái đất vào tâm trái đất thì vô cùng nhiều khả năng là người ta sẽ thấy chúng ở bề mặt bên kia.

Hiện người ta biết có ba dạng hạt neutrino: electron, muon và tau. Khoảng hai  thập kỷ trước, các nhà khoa học đã tìm thấy là chúng có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác qua một hiện tượng gọi là “dao động neutrino”, một khám phá đã được trao giải Nobel Vật lý 2015. Ví dụ, một hạt neutrino được tạo ra như một dạng hạt electron di chuyển qua vũ trụ, sau dó có thể được nhận diện như một dạng muon hoặc tau.

Dẫu thông qua một bộ dữ liệu lớn được tập hợp đến nay có thể được giải thích bằng ba loại hạt neutrino đã biết, một số thực nghiệm đã cho biết có một vài quan sát dị thường cho thấy sự   tồn tại của các dạng mới. Trong số các thực nghiệm đó có thực nghiệm LSND tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos và thực nghiệm MiniBooNE tại Fermilab. Cả hai đều cho máy dò tiếp tục với một chùm tia neutrino muon cho biết sự vượt quá của lượng sự kiện ứng viên khỏi những gì được họ chờ đợi từ các dao động neutrino bao gồm ba kiểu hạt neutrino đã biết, gợi ý đến sự tồn tại của một dạng neutrino trơ. Các hạt neutrino trơ có thể không dò được một cách trực tiếp nhưng dao động của chúng với ba dạng hạt neutrino đã biết có thể cung cấp một con đường độc đáo để có thể thiết lập được sự tồn tại của chúng.

Dẫu vậy, các kết quả mới từ Daya Bay và MINOS+ đặt câu hỏi về khả năng giải thích của LSND và MiniBooNE.

Các bức tường máy dò neutrino của Daya Bay có đặt các ống đèn nhân quang điện. Các ống này được thiết kế để có thể khuếch đại và ghi nhận các dải ánh sáng mờ biểu thị sự tương tác của hạt phản neutrino. Nguồn: Roy Kaltschmidt/Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley.

“Cơ hội đến rất lớn; nếu giải thích về các kết quả dị thường này được xác nhận, nó có thể dẫn đến một cuộc cách mạng trong vật lý. Các sterile neutrino có thể trở thành các hạt đầu tiên được tìm thấy ngoài Mô hình chuẩn, lý thuyết hợp lý nhất của chúng ta hiện nay về các hạt cơ bản và những tương tác của chúng. Chúng có thể là ứng cử viên của vật chất tối hoặc có thể đem đến những kết quả quan trọng trong vũ trụ học”, Pedro Ochoa-Ricoux, phó giáo sư vật lý và thiên văn học tại UC Irvine và Daya Bay, nói.

“Hợp tác của các nhà khoa học ở MINOS+ và Daya Bay cho phép các nhà khoa học có thể kết hợp hai ràng buộc bổ sung về sự triệt tiêu của các neutrino muon và các phản neutrino electron thành các neutrino tro”, Alexandre Sousa, phó giáo sư vật lý tại trường đại học Cincinnati và là một trong những nhà khoa học làm việc về phân tích dữ liệu tại MINOS+. Sự triệt tiêu của cả hai hạt này xảy ra khi các (phản) neutrino electron đi vào một nguồn (phản) neutrino muon qua các dao động trơ. “Vì vậy kết quả kết hợp này là một chứng minh rất rõ ràng cho những gợi ý về hạt neutrino trơ mà chúng tôi có”.

Các đo đạc về sự triệt tiêu neutrino của MINOS+ và Daya Bay hiện rất chính xác bởi chúng đưa ra lời giải thích về bản chất sự kết hợp những quan sát dị thường của LSND, MiniBooNE và những thí nghiệm khác thông qua các dao động neutrino trơ, theo Ochoa-Ricoux.

“Chúng tôi đã hoàn toàn bất ngờ khi tìm thấy bằng chứng cho các hạt neutrino trơ, dữ liệu mà chúng tôi đã thu thập được không hề ủng hộ cho bất kỳ loại giao động nào với các loại hạt kỳ lạ này”, ông nói.

Các phân tích kết hợp được Daya Bay và MINOS+ không chỉ nêu ra loại cụ thể của dao động neutrino trơ có thể giải thích được những kết quả dị thường này mà còn chỉ ra những dấu hiệu neutrino trơ khác với độ nhạy chưa từng có, đem lại một số giới hạn nghiêm ngặt về sự tồn tại của các hạt khó nắm bắt này.

“Hai thí nghiệm này đều sử dụng các máy dò được thiết kế rất tinh vi với việc hiểu rõ những bất định có thể gặp phải và thu thập được một số lượng lớn các sự kiện chưa từng được dự đoán. Sự nhất quán giữa các bộ dữ liệu của hai thí nghiệm đem lại một thử nghiệm nghiêm ngặt về sự tồn tại của hạt neutrino trơ”, Jenny Thomas, giáo sư trường College London và giáo sư Karol Langtại trường đại học Texas ở Austin, đồng thời là người phát ngôn của MINOS+, nói.

“Việc hợp sức như vậy rất cần thiết để có thể giải quyết được một vấn đề cơ bản trong vật lý”, người phát ngôn của Daya Bay, ông Kam-Biu Luk ở Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, UC Berkeley và Jun Cao của Viện vật lý năng lượng cao ở Bắc Kinh, cho biết. “Dù hạt neutrino trơ vẫn còn ẩn trong bóng tối thì chúng tôi đã có thể khoanh vùng phạm vi không gian hiện hữu của nó”.

Thanh Phương dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-08-team-international-physicists-sterile-neutrinos.html