Nghiên cứu mới đặt ràng buộc chặt chẽ hơn lên hạt neutrino trơ

Vô cùng khó để nghiên cứu về các hạt neutrino bởi vì khối lượng của nó rất nhỏ và trung hòa về điện tích – những yếu tố này khiến cho chúng càng trở nên khó nắm bắt. Các nhà khoa học đã có một hướng đi mới trong lĩnh vực này và có thể dò được cả ba vị của nó, hoặc các trạng thái dao dộng. Các vị khác tiếp tục vẫn khó nắm bắt – thậm chí có thể là do chúng không tồn tại.

Các hạt neutrino trơ, một vị đã được đề xuất cho hạt neutrino, đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra khối lượng neutrino và là nguyên nhân dẫn đến các dao động của những hạt neutrino khác, đã được gợi ý tại những thực nghiệm trước đây nhưng người ta chưa bao giờ dò được nó.

Trong một nghiên cứu được xuất bản trên Physical Review Letters, nhóm hợp tác NOvA không tìm ra các hạt neutrino trơ nhưng công trình của họ đã đặt những ràng buộc chặt chẽ nhất lên không tha tham số để định ra nơi có thể tìm thấy các hạt neutrino trơ.

“Các hạt neutrino thực sự thú vị bởi vì chúng có thể mở ra một cánh cửa vào những thứ cũng thực sự là những vấn đề lớn của vật lý, bao gồm câu hỏi về bất đối xứng vật chất – phản vật chất và tại sao, sau tất cả những gì xảy ra trong tiến trình lịch sử, vũ trụ này lại tồn tại”, đồng tác giả Adam Lister, một postdoct trong nhóm nghiên  cứu của giáo sư vật lý Brian Rebel tại trường đại học Wisconsin–Madison và là thành viên của nhóm hợp tác NOvA.

“Nó khiến cho bạn có thể giải những câu hỏi này với dao động neutrino, và với bài báo này, chúng tôi cố gắng giải quyết một câu hỏi trong đó ‘sẽ là gì nếu có thêm những dạng neutrino mà chúng ta chưa đủ khả năng quan sát’?”

Các hạt neutrino trơ đã được đề xuất hàng thập kỷ, khi các thực nghiệm chứng tỏ các kết quả có thể giải thích về sự tồn tại của vị thứ tư (hoặc hơn thế) hạt neutrino.

“Có một số thực nghiệm tuyên bố là họ đã thấy một thứ gì đó phù hợp với loại neutrino mới đó, và có một số thực nghiệm đã tìm kiếm những hạt neutrino tương tự và chưa thấy gì cả”, Lister nói. “Đó là một câu hỏi vô cùng mở, cho đến hiện nay”.

Để kiếm tìm các hạt neutrino trơ, thực nghiệm NovA đã tạo ra một chùm tia của một loại vị hạt neutrino, các hạt neutrimo muon, tại Fermilab và trực tiếp hướng vào hai máy dò: một máy dò cách nguồn phát chùm tia gần một ki lô mét và một máy dò ở xa hơn, khoảng 800 ki lô mét ở sông Ash.

Các phân tích trước đây của NovA chỉ đo được ở một tỉ lệ biến mất dòng điện tích trung tính, nơi một trong ba vị của hạt neutrino được chuyển sang thành hạt khác khi tương tác với một máy dò. Vì vậy trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu biết rằng nếu họ quan sát được một sự thay đổi bất ngờ trong tổng số các hạt neutrino thì hạt neutrino trơ trên thực tế ảnh hưởng đến các dạng vị neutrino khác.

Công việc ban đầu của NOvA chỉ đo đạc được tỉ lệ này tại máy dò ở xa bởi vì chiến lược phân tích được phát triển tốt nhất đã sẵn có trong thời điểm đó.

Tuy nhiên, họ giả định các hạt neutrino trơ có thể không ảnh hưởng đến các hạt neutrino khác trong ki lô mét đầu tiên. Họ đã sử dụng phần mềm cập nhật và cải thiện các mô phỏng để phân tích sự thay đổi tỉ lệ trung hòa tại các máy dò đặt ở gần và xa nhưng các kết quả đó vẫn không chệch hướng khỏi mô hình ba vị được chờ đợi.

Thứ hai, họ đưa thêm một mẫu, các tương tác dòng diện tích muon neutrino, hay sự biến mất một cách đặc biệt của các muon neutrino tại các máy dò ở gần và xa. Những thay đổi nhỏ từ tỉ lệ được chờ đợi có thể chỉ dấu sự ảnh hưởng của các hạt neutrino trơ nhưng một lần nữa, họ không quan sát được sự khác biệt tỉ lệ đáng kể.

Kết hợp với sự thật là họ áp dụng phân tích dữ liệu tích lũy trong vòng sáu năm – tất cả dữ liệu từ các phân tích NOvA trước cộng thêm dữ liệu mới nhất – nghiên cứu mới đã đem lại một phân tích hữu hiệu nhất từ trước đến nay của NovA về vật lý neutrino.

Dẫu nghiên cứu không xác nhận sự tồn tại của các hạt neutrino trơ, các nhà khoa học của NOvA đã có thể tìm kiếm bốn mẫu khác nhau một cách đồng thời, qua đó cho phép họ đặt những kết hợp tham số không thích hợp về mặt vật lý với hạt neutrino trơ.

“Kết quả của chúng tôi tương đồng với mô hình dao động ba vị tiêu chuẩn, ítn hất với những bất định thống kê mà chúng tôi có”, Lister nói. “Những gì chúng tôi có thể nói ngay lúc này là NOvA đã đặt một số giới hạn mạnh nhất lên sự tồn tại của các hạt neutrino trơ”.

Thực nghiệm NOvA không xác nhận được sự tồn tại của hạt neutrino trơ. IceCube, do các nhà khoa học ở UW–Madison dẫn dắt, đã thực hiện các cuộc tìm kiếm bổ sung bằng việc sử dụng các hạt neutrino khí quyển và vật lý thiên văn nhưng cũng chưa tìm thấy bằng chứng nào về các hạt neutrino trơ.

Những kết quả này cũng tối cần thiết để thông tin cho những phân tích của các máy dò neutrino dựa trên máy gia tốc thế hệ mới, DUNE, mà Lister và đồng nghiệp tại UW–Madison đang phát triển.

Anh Vũ dịch từ University of Wisconsin Department of Physics

Nguồn: https://www.physics.wisc.edu/2025/02/26/nova-study-sets-tighter-limit-on-sterile-neutrinos/