TiaSang
Chủ nhật, Ngày 12 tháng 7 năm 2020
Khoa học và Công nghệ

Dao động Neutrino và trang vật lý mới

08/10/2015 11:56 -

Hai nhà vật lý Takaaki Kajita (Nhật Bản) và Arthur B.McDonald (Canada) – đồng chủ nhân giải Nobel Vật lý năm 2015 - đã phát hiện được hiện tượng biến hóa trên đường bay của neutrino. Kết quả này sẽ mở một trang mới cho vật lý các hạt cơ bản và vũ trụ học.

Neutrino là một hạt fermion với spin = ½, không có điện tích, khối lượng rất bé và có ba hương vị (flavor): neutrino-electron, neutrino-muon và neutrino-tau tùy theo việc neutrino đi kèm với electron, hay muon, hay tau trong các phân rã.

Neutrino xuất phát từ Big Bang, từ các quá trình xảy ra trong không gian, trên Trái đất, từ Mặt trời, từ bùng nổ các siêu tân tinh (supernovas), từ các lò phản ứng hạt nhân và từ các phân rã phóng xạ tự nhiên. Số lớn neutrino đến mặt Trái đất là từ các phản ứng hạt nhân trên Mặt trời. Sau photon - hạt của ánh sáng - neutrino là một hạt kỳ diệu và có rất nhiều trong vũ trụ.

Takaaki Kajita (với thiết bị Super Kamiokande - SK, xem hình 1) và Arthur B.McDonald (với thiết bị Subbury Neutrino Observatory - SNO, xem hình 2) đã phát hiện được hiện tượng biến hóa (thay đổi hương vị) trên đường bay (mid-flight metamorphosis) của neutrino. Kết quả này sẽ mở một trang mới cho vật lý các hạt cơ bản và vũ trụ học.

Cuộc săn đuổi này được tiến hành ở sâu trong lòng đất với những thiết bị khổng lồ có hàng nghìn con mắt nhân tạo để ghi đo neutrino.

 
  Hình 1. Thiết bị Super-Kamiokande ghi đo neutrino khí quyển. Số neutrino-muon
đến từ phía trên nhiều hơn số neutrino-muon đã đi xuyên qua Trái đất. Như vậy
số neutrino-muon đi quãng đường xa hơn đã thay đổi hương vị trên đường bay.


Hình 2. Thiết bị SNO (Ontario, Canada) ghi đo neutrino từ Mặt trời. Phát hiện
số neutrino-electron nhỏ hơn dự đoán. Kết luận là: một số neutrino-electron
đã thay đổi hương vị trên đường bay.

Năm 1998, Takaaki Kajita đã phát hiện sự biến hóa - thay đổi hương vị trên dường bay - của neutrino nhờ detector SK tại Nhật. Các neutrino này xuất hiện tương tác giữa tia vũ trụ và khí quyển Trái đất.

Cùng thời các nhà khoa học tại SNO (Sudbury Neutrino Observatory), Canada dưới sự lãnh đạo của Arthur B.McDonald nghiên cứu neutrino từ Mặt trời cũng đã chứng minh được các neutrino đã thay đổi hương vị trên đường bay.

Hai thí nghiệm trên đều phát hiện ra hiện tượng mới quan trọng - sự dao động của neutrino tức sự biến hóa giữa các hương vị. Cơ học lượng tử buộc rằng muốn có dao động thì các neutrino phải có khối lượng khác nhau. Đây là một điều trái với Mô hình chuẩn (Standard Model - SM) của các hạt cơ bản thiết lập trước đây, theo SM thì neutrino không có khối lượng.

Hiện nay chưa ai có thể tiên đoán hết tầm quan trọng của hiện tượng dao động neutrino đối với vật lý hạt cơ bản và vũ trụ học.

CÁC TÍNH CHẤT CỦA HẠT NEUTRINO

Danh từ neutrino (tiếng Ý có nghĩa là neutron nhỏ) là tên do Enrico Fermi đặt cho hạt này. Neutrino phát sinh từ phân rã của các hạt phóng xạ (xem hình 3).

 
Hình 3. Các hạt nhân phóng xạ có phân rã beta: tritium (một đồng vị của hydrogen) phân rã thành helium 3, một neutron biến thành proton và một phản neutrino.

Neutrino tương tác rất yếu với các hạt khác. Ứng với mỗi neutrino có một hạt phản neutrino (xem hình 4).

 
 Hình 4. Neutrino và phản hạt của nó là phản neutrino

Hạt neutrino trong mô hình chuẩn SM là một hạt trái, điều này có nghĩa là spin và xung lượng chuyển động ngược chiều với nhau (xem hình 5) còn đối với phản neutrino thì đó là một hạt phải (spin hướng đồng chiều với xung lượng).

 
 Hình 5. Neutrino trái và phản neutrino phải

Khái niệm trái và phải không có ý nghĩa đối với các hạt như electron vì tính trái và phải sẽ biến thành ngược lại trong một hệ quy chiếu khác. Song đối với neutrino vì chúng chuyển động với tốc độ gần tốc độ ánh sáng nên không tìm được hệ quy chiếu để biến trái thành phải được vì vậy đối với neutrino tính trái và phải là bất biến Lorentz.

Hạt neutrino được tiên đoán bởi nhà vật lý người Áo Wolfgang Pauli năm 1930 lúc nghiên cứu phân rã beta: Tôi đã làm một việc khủng khiếp là tiên đoán sự tồn tại của một hạt mà có thể không ghi đo được, Pauli đã phát biểu như vậy.

Thực tế neutrino có thể ghi đo được nhờ những cố gắng đặc biệt của các nhà vật lý. Neutrino không ở trong thành phần cấu tạo nguyên tử, neutrino cũng không tham gia vào các quá trình hóa học. Neutrino không mang điện, có khối lượng rất bé, khoảng một phần triệu khối lượng electron. Neutrino là hạt đã làm kinh ngạc thế giới trong 80 năm qua. Hiện nay cũng còn những vấn đề còn bỏ ngỏ đối với neutrino. Nhiều câu hỏi về neutrino sẽ có ảnh hưởng lớn đến vật lý trong tương lai, đến lý thuyết thống nhất. Mô hình SM hiện hành chưa gồm được hết các tính chất của neutrino và cần phải được mở rộng.

NEUTRINO VÀ PHẢN NEUTRINO, HẠT DIRAC VÀ HẠT MAJORANA
 
Các dữ liệu thực nghiệm cho thấy rằng các phản neutrino đều có helicity dương (hạt phải) còn neutrino có helicity âm (hạt trái).

Nếu neutrino là một hạt Dirac (như các hạt trong SM) thì neutrino và phản neutrino là hai hạt khác nhau. Song nếu neutrino là một hạt Majorana thì neutrino và phản neutrino trùng nhau và là cùng một hạt.

Không giống như hạt Dirac (hạt và phản hạt khác nhau) các hạt Majorana đồng nhất với phản hạt.

Liệu neutrino là hạt Dirac hay là hạt Majorana? Đây là một vấn đề còn bỏ ngỏ đối với hạt neutrino. Câu hỏi này (hạt Dirac hay hạt Majorana?) có thể tìm được câu trả lời trong những phân rã beta kép không có neutrino (xem hình 6).

Nhiều hạt nhân đồng vị có thể có hai phân rã beta đồng thời và thông thường sẽ phát ra hai electron và hai phản neutrino. Kết quả của phân rã kép beta sẽ không cho ta một neutrino nào nếu như neutrino là những hạt Majorana.

Mô hình Majorana cho neutrino có ưu điểm giải thích được sự bất đối xứng vật chất/phản vật chất: vì sao vũ trụ lại có nhiều vật chất mà phản vật chất hầu như khó tìm ra?

 

Hình 6. Phân rã kép beta không có neutrino. Nếu neutrino cũng là phản neutrino
(hạt Majorana) thì phản neutrino phát sinh từ phân rã đầu sẽ bị hấp thụ bởi phân
rã thứ hai (phân rã thứ hai hấp thụ neutrino tương đương với việc phát ra phản neutrino). Kết quả là phân rã kép beta không phát ra neutrino hoặc phản neutrino
nào cả. Phía trái của hình trên mô tả quá trình phân rã beta với neutrino
và phản neutrino khác nhau, bên phải với neutrino và phản neutrino là một.

HIỆN TƯỢNG DAO ĐỘNG (OSCILLATION) NEUTRINO

Từ năm 1975 và nhất là năm 1995 các nhà vật lý đã phát hiện rằng số lượng neutrino đến từ Mặt trời bị giảm hụt trên quãng đường bay đến mặt đất so với tính toán. Lý thuyết ước lượng dòng neutrino Mặt trời là vào khoảng 64 tỷ neutrino/giây.cm2 xuống mặt đất. Song các detector như GALLEX hay SAGE chỉ đo được 40 tỷ/giây.cm2. Vậy một số lượng neutrino mất đi đâu?

Các nhà vật lý giải thích sự tụt giảm quan sát được trong thông lượng neutrino Mặt trời bằng hiện tượng dao động neutrino (xem hình 7). Thế nào là hiện tượng dao động neutrino?

 
 Hình 7. Dao động neutrino.

Nhiều thí nghiệm cho thấy rằng neutrino có thể thay đổi hương vị trên đường bay. Điều đó có nghĩa rằng trong quá trình bay từ một nguồn bức xạ (Mặt trời, máy gia tốc, lò phản ứng hạt nhân,...) neutrino luôn biến từ một hương vị này sang một hương vị khác (hương vị electron, hượng vị muon và hương vị tau). Hiện tượng biến đổi hương vị này được gọi là dao động neutrino, ý tưởng kỳ diệu này được Bruno Pontecorvo đưa ra năm 1962 và được Ziro Maki, Masami Nakagawa và Shoichi Sakata xây dựng thành mô hình dao động giữa các hương vị.

Pontecorvo đã tiên đoán năm 1967 rằng sự dao động sẽ dẫn đến một sự thiếu hụt (deficit) các neutrino Mặt trời quan sát từ mặt đất. Tiên đoán này được kiểm nghiệm bằng thực nghiệm năm 1968.

Nhiều thí nghiệm đã được đặt gần các nhà máy điện hạt nhân, các máy gia tốc là các nguồn có khả năng bức xạ neutrino nhằm mục đích đo khối lượng của neutrino trong vòng 20 năm nay.

CƠ CHẾ BẬP BÊNH (SEESAW MECHANISM) VÀ NEUTRINO KHÔNG HOẠT TÍNH (STERILE NEUTRINO)

Tháng Giêng năm 2011, Thierry Lasserre và cộng sự lại tìm thấy ở một khoảng cách vài mét của một lò phản ứng một sự thiếu hụt 6% neutrino so với lý thuyết. Và bất thường này không thể giải thích được bằng SM với ba neutrino đã biết mà chỉ có thể giải thích nếu đưa vào một loại neutrino chưa từng biết đến đó là neutrino không hoạt tính (sterile neutrino). Neutrino không hoạt tính là những neutrino phải (hoặc phản neutrino trái) không tương tác với các neutino hoạt tính (active neutrino) trong khuôn khổ của SM và chỉ có tương tác hấp dẫn.

Các neutrino không hoạt tính là những đơn tuyến chuẩn SM và chỉ tương tác với neutrino hoạt tính (active neutrino) nghĩa là các neutrino trong SM thông qua dao động.



Trong sơ đồ trên, chỉ số s chỉ neutrino không hoạt tính (sterile).

Cơ chế bập bênh là cơ chế theo đó nếu khối lượng của neutrino không hoạt tính là lớn thì khối lượng của neutrino hoạt tính lại nhỏ và ngược lại. Đó là lý do vì sao cơ chế này được gọi là cơ chế bập bênh.

Cơ chế bập bênh đòi hỏi sự du nhập vào SM một (hay nhiều hơn) neutrino phải. Đây là một loại neutrino rất nặng khó ghi đo và được gọi là neutrino không hoạt tính (sterile neutrino), các neutrino trong SM được gọi là neutrino hoạt tính (active neutrino).

Trong mô hình bập bênh những neutrino mới chưa từng biết đến phải được đưa vào SM (như vậy là ta đã đi vượt quá SM), những neutrino này rất nặng, vượt quá xích (scale) điện yếu. Nhờ cơ chế này, người ta giải thích được vì sao các neutrino trái thông thường lại có khối lượng nhỏ. Có một mối liên hệ chặt chẽ giữa khối lượng của neutrino trái và neutrino phải: khối lượng của chúng tỷ lệ nghịch với nhau. Vậy neutrino phải càng nặng thì neutrino trái càng nhẹ.

Cơ chế bập bênh làm cho khối lượng neutrino phải không hoạt tính nặng nhiều so với neutrino của SM.

Như vậy ngoài những bất thường giải thích được nhờ hiện tượng dao động còn có những bất thường mà người ta không thể giải thích được bằng SM với ba hương vị neutrino mà phải cầu cứu đến một loại neutrino thứ tư gọi là neutrino không hoạt tính (vì loại neutrino này chỉ tham gia tương tác hấp dẫn).

Thêm các neutrino này vào Lagrangian của SM làm cho các neutrino trái lập tức có khối lượng và như thế cho phép giải thích hiện tượng dao động một cách tự nhiên (nhớ rằng dao động đòi hỏi neutrino phải có khối lượng).

Những hạt neutrino này là những đơn tuyến đối với nhóm chuẩn của SM.

Một neutrino không hoạt tính (sterile) không tham gia tương tác yếu chỉ tham gia tương tác hấp dẫn và dao động neutrino trong khi neutrino thông thường (neutrino hoạt tính) có tham gia tương tác yếu.
 
Nếu tồn tại neutrino phải thì điều này có thể cung cấp cơ sở để giải thích vì sao ba loại neutrino của SM lại có khối lượng nhỏ như vậy.

Những neutrino không hoạt tính (với khối lượng cỡ keV) có thể là ứng viên cho vật chất tối. Các hạt này có thể giúp các nhà vật lý giải thích tốc độ bất thường quan sát được của các pulsars (pulsar kicks). Sự phân rã của các neutrino không hoạt tính tàn dư có thể tạo nên một thông lượng tia X trong vũ trụ.

KẾT LUẬN

Những vấn đề lớn sau đây liên quan đến neutrino dẫn đến yêu cầu phải phát triển lý thuyết thống nhất trong vật lý:

1/ Cần tìm chính xác thêm khối lượng neutrino.

2/ Neutrino là hạt DIRAC hay là hạt MAJORANA?(câu hỏi này có thể tìm được câu trả lời trong thí nghiệm phân rã kép beta không có neutrino).

Hiên nay chưa có kết quả trong việc phát hiện quá trình này.

3/ Phát hiện hạt neutrino không hoạt tính (sterile neutrino), một ứng viên khác của vật chất tối. Neutrino không hoạt tính đòi hỏi sự mở rộng mô hình SM.

4/ Một sự bất đối xứng giữa hạt và phản hạt (vi phạm CP) có thể là cơ sở giải thích vì sao vật chất lại nhiều hơn phản vật chất trong vũ trụ.

Như vậy hạt neutrino đã đặt ra những vấn đề còn bỏ ngỏ buộc các nhà vật lý phải phát triển một mô hình sâu rộng hơn vượt qua giới hạn của SM tức là phải xây dựng một lý thuyết thống nhất tổng quát hơn nữa.

Sự phát hiện hiện tượng dao động của neutrino do hai nhà vật lý Takaaki Kajita và Arthur B.McDonald đã mở ra một cánh cửa lớn vào việc nghiên cứu vật lý các hạt cơ bản và vũ trụ học trong tương lai.
 
CC. biên dịch

Tài liệu tham khảo

[1] Nobel.org, Press release, 2015
[2] Nobel.org, Popular information, 2015
[3] Nobel.org, Advanced information, 2015
[4] Martin Hirsh, Heinrich Pas, Werner Porod,Scientific American số tháng 4/2013






 
 


 
















 
















































Tags: