Nghiên cứu về các hạt “ma”: Cuộc tìm kiếm về nguồn gốc loài người
Trong Đài quan sát nhiệt độ thấp dưới mặt đất cho các sự kiện hiếm (CUORE), các nhà vật lý đang dùng các tinh thể ở mức nhiệt độ còn thấp hơn nhiệt độ cryo để nghiên cứu về các hạt “ma”, với hi vọng tìm được những bí mật từ điểm bắt đầu của vũ trụ. Họ mới loan báo là đã đặt được một vài giới hạn nghiêm ngặt nhất lên khả năng hạt neutrino có thể là các phản hạt của chính nó.
Các hạt neutrino đều là những hạt khác thường, nó quá nhẹ và quá nhiều. Chúng đâm xuyên qua cơ thể chúng ta nhưng chúng ta không thể cảm nhận được nó. CUORE đã mất tới ba năm để kiên nhẫn xem xét bằng chứng về một quá trình phân rã hạt nhân đặc biệt, chỉ có thể xảy ra nếu các hạt neutrino và phản neutrino đều cùng là một hạt. Dữ liệu mới của CUORE cho thấy, sự phân rã này không xảy ra trong hàng tỉ tỉ năm. Các giới hạn của CUORE về hành xử của những hạt “ma” tí hon này đang là tâm điểm tìm kiếm cho đột phá tiếp theo của vật lý hạt và vật lý hạt nhân – và cũng là cuộc tìm kiếm về nguồn gốc của chúng ta.
“Sau rốt, chúng tôi đang cố gắng hiểu sự tạo thành của vật chất”, Carlo Bucci, nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia del Gran Sasso (LNGS) ở Italy và là người phát ngôn của CUORE, nói. “Chúng tôi đang tìm kiếm một quá trình vi phạm đối xứng cơ bản của tự nhiên”, Roger Huang, một postdoct tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) của Bộ Năng lượng Mỹ và là một trong số những người tham gia, cho biết.
CUORE – tiếng Ý là “tâm điểm” – là một trong số những thí nghiệm neutrino nhạy nhất trên thế giới. Các kết quả mới từ CUORE là dựa vào một bộ dữ liệu lớn có độ phân giải cao gấp chục lần so với các dữ liệu khác, được thu thập trong ba năm gần đây. CUORE được đặt dưới sự điều hành của một nhóm hợp tác nghiên cứu quốc tế do các nhà nghiên cứu ở Viện nghiên cứu vật lý hạt nhân quốc gia Ý (INFN) và Berkeley Lab dẫn dắt. Máy dò CUORE được đặt sâu dưới lòng đất, phía dưới một dãy núi đá của LNGS, một cơ sở của INFN. Các nhà vật lý hạt nhân do Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ đóng vai trò dẫn dắt khoa học và kỹ thuật trong thực nghiệm này. Các kết quả mới của CUORE được xuất bản trên Nature.
Các hạt neutrino có mặt ở khắp mọi nơi – có hàng tỉ tỉ hạt neutrino xuyên qua người khi bạn đọc những dòng này. Chúng vô hình với cả hai lực mạnh nhất của vũ trụ là lực điện từ và lực tương tác hạt nhân mạnh, vốn cho phép chúng đâm xuyên qua con người, đâm xuyên qua trái đất và gần như không hề tương tác với bất kỳ vật chất nào.
Các hạt kỳ lạ
Các hạt neutrino có mặt ở khắp mọi nơi – có hàng tỉ tỉ hạt neutrino xuyên qua người khi bạn đọc những dòng này. Chúng vô hình với cả hai lực mạnh nhất của vũ trụ là lực điện từ và lực tương tác hạt nhân mạnh, vốn cho phép chúng đâm xuyên qua con người, đâm xuyên qua trái đất và gần như không hề tương tác với bất kỳ vật chất nào. Bất chấp số lượng vô cùng lớn, bản chất bí ẩn khiến việc nghiên cứu về chúng vô cùng thách thức và hơn 90 năm qua, khiến cho các nhà vật lý phải căng não. Tất cả vẫn còn chưa rõ là liệu các hạt neutrino có khối lượng hay không, kể từ những năm 1990 – nhưng những gì các nhà vật lý tìm được lại chưa nhiều lắm.
Một trong số rất nhiều câu hỏi mở về hạt neutrino là liệu chúng có phản hạt không. Tất cả các hạt đều có phản hạt, các bản sao phản vật chất của chúng: các electron có phản electron (các positron), quark có phản quark, neutron và proton (các thành phần cấu tạo nên hạt nhân của các nguyên tử) cũng có phản neutron và phản proton. Nhưng khác với những hạt đó, về mặt lý thuyết thì có thể các hạt neutrino là phản hạt của chính nó. Vào năm 1937, nhà vật lý Ettore Majorana từng đề xuất có nhiều hạt chính là những phản vật chất của chúng, và một trong số đó là các fermion Majorana.
Nếu các hạt neutrino là các fermion Majorana, có thể lý giải được một câu hỏi sâu sắc về căn nguyên cho sự tồn tại của chúng ta: tại sao có nhiều vật chất hơn phản vật chất trong vũ trụ. Các hạt neutrino và các electron đều là những hạt lepton, một dạng hạt cơ bản. Một trong số những quy luật cơ bản của tự nhiên xuất hiện là số các hạt lepton luôn luôn được bảo toàn – nếu một quá trình tạo ra một hạt lepton thì phải tạo ra đồng thời một phản lepton để giữ sự cân bằng. Tương tự, các hạt như proton và neutron hay là những baryon, và số hạt baryon xuất hiện cũng được bảo toàn. Vậy nếu số baryon và lepton luôn luôn được bảo toàn, có thể chính xác là vật chất trong vũ trụ nhiều như phản vật chất – và trong vũ trụ sớm, vật chất và phản vật chất có thể đã va chạm nhau và hủy nhau, chúng ta có thể sẽ không tồn tại. Có điều gì đó vi phạm sự bảo toàn chính xác của các baryon và lepton. Chuyển sang hạt neutrino: nếu các neutrino là phản hạt của chúng, số lượng lepton không thể được bảo toàn, và sự tồn tại của chúng ta trở nên ít bí ẩn hơn.
“Vẫn chưa thể giải thích được sự phi đối xứng vật chất – phản vật chất trong vũ trụ này”, Huang nói. “Nếu các hạt neutrino chính là các phản hạt của nó thì còn giải thích được”.
Đó không chỉ là câu hỏi duy nhất sẽ nhận được câu trả lời từ hạt neutrino Majorana. Khối lượng cực nhẹ của các hạt neutrino, nhẹ hơn electron cả triệu lần, từ lâu đã là câu đố với các nhà vật lý hạt. Nhưng nếu các hạt neutrino chính là phản hạt của chúng thì có một giải pháp tồn tại là “cơ chế bập bênh” này có thể giải thích được khối lượng vô cùng nhẹ của các hạt neutrino theo một cách vô cùng tự nhiên và đẹp đẽ.
Một thiết bị hiếm cho các phân rã hiếm
Nhưng vô cùng khó để xác quyết liệu các hạt neutrino có là phản hạt của chúng hay không, bởi chúng không tương tác với mọi thứ xung quanh. Công cụ tốt nhất của các nhà vật lý để tìm kiếm hạt neutrino Majorana là một phân rã phóng xạ ở dạng giả thuyết, còn được gọi là phân rã beta kép không sinh neutrino. Phân rã beta là một hình thức chung của một số nguyên tử, biến đổi một neutron trong hạt nhân nguyên tử thành một proton, thay đổi nguyên tố hóa học của hạt nhân này và phát xạ một electron và một phản neutrino trong quá trình đó. Phân rã beta kép vô cùng hiếm: thay vì biến đổi một neutron thành một proton, chúng biến đổi cả hai, phát xạ hai electron và hai phản neutrino. Nhưng nếu neutrino là fermion Majorana, về mặt lý thuyết có thể cho phép một hạt neutrino hành xử như một phản hạt của chúng, để đặt vào vị trí của cả hai phản neutrino trong phân rã beta kép. Chỉ hai electron cũng có thể bị loại ra khỏi hạt nhân nguyên tử. Phân rã beta kép không sinh neutrino mới chỉ tồn tại về mặt lý thuyết nhưng chưa từng được quan sát, dẫu đã được nghiên cứu trong hàng thập kỷ.
Thực nghiệm CUORE đã được thực hiện để bắt các hạt nhân tellurium trong phân rã này. Thực nghiệm sử dụng hàng ngàn tinh thể tellurium oxide siêu tinh khiết, có khối lượng tổng cộng 700 kg. Người ta cần một số lượng lớn tellurium bởi trung bình, phải mất một quãng thời gian gấp hàng tỉ lần so với tuổi hiện tại của vũ trụ chúng ta để một nguyên tử tellurium không bền trải qua quá trình phân rã beta kép thông thường. Nhưng có cả nghìn tỉ tỉ nguyên tử tellurium trong các tinh thể mà CUORE sử dụng, điều đó nghĩa là phân rã beta kép thông thường diễn ra trong máy dò, khoảng vài lần mỗi ngày ở mỗi tinh thể. Phân rã beta kép không neutrino thậm chí còn hiếm hơn, do đó, nhóm CUORE phải làm việc vất vả để có thể loại đi nhiều nguồn bức xạ nền nhằm tránh bị nhiễu tín hiệu. Để che chắn máy dò khỏi tia vũ trụ, toàn bộ hệ thống này được đặt dưới chân núi Gran Sasso, ngọn núi lớn nhất của bán đảo Ý. Cẩn thận hơn, người ta che chắn nó bằng hàng tấn chì. Tuy nhiên, chì mới khai thác cũng có một chút phóng xạ do nhiễm uranium và các nguyên tố khác, và độ phóng xạ chỉ giảm dần theo thời gian – vì vậy chì được sử dụng bao quanh phần nhạy nhất của CUORE chủ yếu là được lấy từ một con thuyền La Mã cổ đại bị đắm gần 2000 năm tuổi.
Có lẽ, phần ấn tượng nhất của máy dò ở CUORE là bộ phận cryostat, dùng để giữ cho nó luôn được lạnh. Để dò được phân rã beta kép không sinh neutrino, nhiệt độ của mỗi tinh thể trong máy dò CUORE được giám sát cẩn thận với các cảm biến có năng lực dò được cả sự thay đổi nhiệt độ nhỏ bằng một phần nghìn độ C. Phân rã beta kép không sinh neutrino có một mức năng lượng cụ thể, có thể làm tăng nhiệt độ của một đơn tinh thể và có thể được ghi lại. Nhưng để duy trì được độ nhạy, máy dò này phải được giữ ở mức rất lạnh, khoảng 10 mK, một phần trăm một độ trên nhiệt độ không tuyệt đối. “Đó là khối lập phương lạnh nhất được biết đến trong vũ trụ”, Laura Marini, một nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Gran Sasso và là người điều phối CUORE, nói. Độ nhạy của máy dò thực sự phi thường. “Khi có các trận động đất lớn ở Chile và New Zealand, chúng ta trên thực tế thấy bóng dáng của nó trong máy dò”, Marini cho biết. “Chúng ta có thể thấy sự xáo trộn của các sóng ở bờ biển Adriatic (Ý) cách 60 km. Tín hiệu này rõ hơn vào mùa đông, khi có bão”.
Một hạt neutrino xuyên tâm
Bất chấp độ nhạy phi thường này, CUORE vẫn chưa tìm thấy bằng chứng về phân rã beta kép không sinh neutrino. Do vậy, CUORE đã nghĩ đến việc tạo phân rã này trong một nguyên tử stellurium – một hiện tượng hiếm trong 22 nghìn tỉ tỉ năm mới xảy ra một lần. “Phân rã beta kép không sinh neutrino, nếu được quan sát, sẽ là một quá trình hiếm nhất từng được quan sát trong tự nhiên, với một thời gian bán rã lâu hơn một triệu tỉ lần so với độ tuổi của vũ trụ này”, Danielle Speller, phó giáo sư tại ĐH Johns Hopkins và là một thành viên của Ban vật lý CUORE, nói. “CUORE có thể không đủ nhạy để dò được phân rã này nếu nó xảy ra nhưng việc kiểm tra nó cũng rất quan trọng. Một số vật lý đã gặt hái được những kết quả đáng ngạc nhiên và khi đó, chúng ta học hỏi được nhiều nhất. Ngay cả khi CUORE không tìm thấy bằng chứng về phân rã beta không sinh neutrino, đó là bước tiến trên con đường đến các thực nghiệm thế hệ mới. Thiết bị kế tục của CUORE, CUORE nâng cấp với sự nhận diện hạt (CUPID) đang được thực hiện. CUPID sẽ nhạy gấp CUORE cả chục lần, có tiềm nang cho phép có được bằng chứng về hạt neutrino Majorana.
Nhưng cho dù thế nào đi chăng nữa, CUORE vẫn là một thắng lợi về KH&CN – không chỉ ở những liên kết mới với tỉ lệ phân rã kép beta không sinh neutrino mà còn ở công nghệ cryostat nhiệt độ thấp của nó. “Đó là cái tủ lạnh lớn nhất thuộc dạng này trên thế giới, Paolo Gorla, một thành viên tại LNGS và Điều phối kỹ thuật của CUORE, nói. “Nó có thể giữ cho mức nhiệt độ 10 mK liên tục trong vòng ba năm qua”. Rất nhiều ứng dụng vượt qua vật lý hạt cơ bản ở đó, cụ thể nó có thể tìm thấy sự hữu dụng trong tính toán lượng tử bởi cần phải giữ cho cỗ máy này đủ lạnh và che chắn khỏi bức xạ môi trường để điểu khiển ở mức lượng tử – một trong những thách thức lớn về mặt kỹ thuật trong lĩnh vực này.
Dĩ nhiên, CUORE không chỉ làm được vậy. “Chúng tôi sẽ vận hành cho đến năm 2024”, Bucci nói. “Tôi rất hào hứng được thấy những gì chúng tôi sẽ tìm ra”. □
Anh Vũ dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2022-04-limits-bizarre-behavior-neutrinos.html
