Đến hẹn lại lên: Mỗi thập kỷ một giải Nobel cho neutrino

Cha đẻ của hạt neutrino, Wolfgang Pauli, cũng từng được giải Nobel nhưng lại cho một chủ đề khác: nguyên lý loại trừ. Do đặc tính nổi bật của neutrino là tương tác rất yếu với vật chất, nên chúng rất khó để phát hiện. Đa số neutrino năng lượng thấp sinh ra từ Mặt trời bay xuyên qua Trái đất mà không hề bị tác động, đều đặn có bốn mươi tỉ neutrino bay qua một cm2 mỗi giây! Điều này dẫn tới một nghịch lý, đó là, người ta nhận biết về sự hiện hữu của neutrino chính từ sự vắng mặt của nó trong các sản phẩm tương tác có neutrino tham gia: thiếu một cái gì đó để đảm bảo định luật bảo toàn năng lượng. Đây chính là trường hợp xảy ra với phân rã beta, hiện tượng từng được coi là một bí ẩn hồi thập niên 1930. Trong khi Niels Bohr cho rằng đây là trường hợp ở đó định luật bảo toàn năng lượng bị vi phạm nhưng Pauli lại nhìn nhận theo một cách khác, ông cho rằng, thực chất năng lượng mất đó được mang đi bởi một loại hạt trung hòa không thể nhận biết được, mà ông gọi là neutron. Ngày nay, chúng ta dùng cái tên neutron để chỉ loại hạt được James Chadwick tìm ra vào năm 1932, năm 1934 Enrico Fermi đã mô tả được đầy đủ quá trình phân rã beta. Đến lúc đó, Pauli đã thuyết phục được giới khoa học về sự tồn tại của loại hạt mà ông đề xướng, kể từ đấy người ta gọi nó là neutrino, nghĩa là neutron nhỏ theo tiếng Ý.

Qua nhiều năm, các hạt neutrino, cũng như các hạt phản neutrino, vẫn tiếp tục được phát hiện nhờ sự vắng mặt của chúng, ví dụ trong các máy gia tốc năng lượng cao như Máy Gia tốc Hạt lớn (LHC) ở Geneva. Đặc biệt, chúng cung cấp dấu hiệu thuận tiện cho việc ghi nhận các hạt W±, hạt boson yếu mang điện có khối lượng lớn, thường phân rã tức thời thành một hạt lepton tích điện, ví dụ như electron, và một hạt neutrino năng lượng cao – dẫn tới sự thiếu hụt lớn trên bảng cân bằng năng lượng. Song song với những thí nghiệm như vậy, các nhà khoa học còn tìm cách “bắt giặc tại trận” bằng cách xây dựng các hệ ghi đo lớn để cho phép neutrino đi qua một lượng vật chất đủ lớn trên quỹ đạo bay của nó, để rồi một tỉ lệ nhỏ trong số chúng sẽ tham gia tương tác.

Năm 1956, Clyde Cowan và Frederick Reines đã lần đầu tiên tiến hành thành công thí nghiệm loại này, sử dụng một lò phản ứng hạt nhân làm nguồn tạo ra các hạt phản neutrino, có thông lượng hơn 1013 hạt/giây.cm2. Họ đã phát hiện các phản neutrino từ tương tác của chúng với proton, tạo ra một positron và một neutron. Điều này tương tự như hiện tượng phân rã beta của neutron mà kết quả thu được là một proton, một electron, và một phản neutrino. Vì vậy, phản ứng này còn được gọi là phân rã beta ngược. Các proton có trong các phân tử nước chứa trong hai bể, mỗi bể có dung tích 200 lít, với cadmium chloride được hòa tan trong đó. Positron được xác định từ tín hiệu trùng phùng được ghi nhận trong các bộ đếm nhấp nháy lỏng của hai tia gamma có năng lượng 511 keV sinh ra do sự hủy cặp khi positron gặp một electron. Neutron được nhận biết nhờ tín hiệu của một tia gamma khác được phát ra sau khi neutron bị bắt giữ chậm bởi cadmium. Tín hiệu tổng thể gồm một cặp tia gamma 511 keV nối tiếp bởi một tia gamma khác đến sau đó vài micro-giây được quan sát với tần suất ba lần mỗi giờ và biến mất khi tắt lò phản ứng. Với khám phá này, Frederick Reines được trao giải Nobel năm 1995, nhưng thật đáng tiếc cho Clyde Cowan vì ông đã mất trước đó 21 năm.

Cowan và Reines đã tiến hành một chuỗi các thí nghiệm sử dụng nguồn neutrino là các lò phản ứng hạt nhân năng lượng thấp hay các máy gia tốc năng lượng cao. Các lò phản ứng hạt nhân tạo ra neutrino electron. Các máy gia tốc tạo ra neutrino muon từ phân rã meson nhưng cũng đồng thời cung cấp thêm neutrino electron; khi năng lượng đủ lớn thì cả neutrino tau cũng được tạo ra. Nhằm tăng cơ hội tương tác cho neutrino, hệ đo thường là những buồng bọt chất lỏng nặng chứa đầy freon hoặc propane, hoặc là các chồng đĩa sắt. Hệ đo được gắn với các cảm biến điện tử ghi nhận hạt nhằm tạo ra tín hiệu khi tương tác xảy ra.

Di sản to lớn của những thí nghiệm này là sự định hình nên một lý thuyết hiện đại cho vật lý hạt, gọi là Mô hình Chuẩn (Standard Model). Ở đây chúng ta sẽ không đi quá sâu vào chi tiết mô hình này, tuy nhiên vẫn cần khái lược một số nội dung chủ yếu của nó để có thể hiểu về những thí nghiệm mà giải Nobel Vật lý 2015 tôn vinh.

Chúng ta bắt đầu bằng một phiên bản giản lược của Mô hình Chuẩn với tất cả các hạt cơ bản đều không có khối lượng; việc giản lược như vậy không gây sai lệch quá nhiều, bởi trong thực tế tất cả các hạt cơ bản được biết đều có khối lượng nhỏ hơn 10-17 khối lượng Planck (thang khối lượng duy nhất có trên lý thuyết). Hơn nữa, Mô hình Chuẩn bỏ qua lực hấp dẫn bởi tác động của nó là không đáng kể trong giới hạn độ nhạy hiện nay của các thí nghiệm vật lý hạt. Thực ra, sự không tương thích giữa vật lý lượng tử và thuyết hấp dẫn là một trong hai bí ẩn lớn nhất mà vật lý đương đại chưa thể lý giải (bí ẩn thứ hai về bản chất của năng lượng tối), đòi hỏi phải có một lý thuyết mới để giải thích những bí ẩn này.

Với mô hình giản lược nêu trên, chúng ta có các fermion, là các hạt cấu thành vật chất, tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli bởi chúng có spin bằng một phần hai (1/2). Một trong số các hạt đó là electron. Chúng ta cũng có các boson, có tính chất gần giống với photon, được phép chiếm giữ cùng một trạng thái lượng tử bởi chúng có spin bằng một. Có ba loại boson như vậy, mỗi loại gắn với một loại tương tác: photon gắn với tương tác điện từ, boson yếu gắn với tương tác yếu (như trong phân rã beta), và gluon gắn với tương tác mạnh (thể hiện trong tương tác giữa các hạt nhân nguyên tử). Fermion có hai loại là lepton và quark. Proton và neutron được cấu thành từ các quark. Lepton không tham gia tương tác mạnh, chỉ tham gia tương tác yếu và điện từ. Neutrino là một lepton trung hòa do đó không tham gia tương tác điện từ mà chỉ tham gia tương tác yếu. Cả quark và lepton đều được sắp xếp thành ba cặp (ba họ). Với lepton, đối tượng mà chúng ta quan tâm, các cặp của nó bao gồm một hạt tích điện và một neutrino. Lepton mang điện của cặp nhẹ nhất chính là electron, của cặp tiếp theo là muon, rồi đến tauon. Mỗi neutrino cặp đôi với các lepton mang điện này đều đã được phát hiện bởi các thí nghiệm neutrino, trong đó thí nghiệm trực tiếp phát hiện neutrino muon đã được tôn vinh bằng giải Nobel năm 1988 (trao cho Leon Lederman, Mel Schwartz và Jack Steinberger).

Mô hình Chuẩn mô tả tương tác giữa các hạt như là sự kết đôi giữa các fermion và các boson véc-tơ. Tương tác điện từ là sự kết đôi giữa một photon với một cặp gồm một hạt mang điện cùng phản hạt của nó, ví dụ như một cặp electron và positron, hay nó còn có thể được xem như là quá trình một hạt mang điện phát ra hoặc hấp thụ một photon. Tương tự như vậy, tương tác yếu là sự kết đôi giữa một boson yếu và một cặp lepton. Do boson yếu có khối lượng rất lớn, tương phản với photon không hề có khối lượng, nên tương tác yếu ở mức năng lượng thấp sẽ yếu hơn rất nhiều so với tương tác điện từ. Điều phức tạp đầu tiên ở đây đến từ thực tế là boson yếu W có hai loại có thể mang điện hoặc trung hòa. Vì vậy có bốn loại kết đôi: W–↔e–ν*, W+↔e+ν, W0↔ e–e+ and W0↔ νν* trong đó ký hiệu e– và e+ là electron và positron, ν và ν* là neutrino và phản neutrino, cả hai neutrino và phản neutrino này đều thuộc họ electron. Hai trường hợp đầu là dòng mang điện, hai trường hợp sau là dòng trung hòa. Một khác biệt nữa giữa tương tác điện từ và tương tác yếu là tương tác yếu chỉ có sự tham gia của các lepton quay trái (left-handed) và các phản lepton quay phải, trong đó quay phải nghĩa là có spin cùng chiều với hướng chuyển động của hạt, còn quay trái là có spin ngược hướng với hướng chuyển động. Lưu ý rằng các hạt không có khối lượng chuyển động với tốc độ ánh sáng và không thể đứng yên: vì vậy định nghĩa về chiều quay ở đây là hợp lý.

Có thể thấy tính cá biệt của neutrino thể hiện rõ rệt ở đây: một neutrino không khối lượng quay phải, sẽ không tham gia bất kỳ tương tác nào, người ta gọi nó là neutrino “vô sinh” (sterile neutrino). Vì vậy, đây là một khái niệm trừu tượng, không tồn tại trong thực tế vì không thí nghiệm trực quan nào có thể cung cấp bằng chứng về sự tồn tại của nó. Bên cạnh đó, từ nhiều năm nay người ta đã thấy rõ rằng nếu neutrino có khối lượng thì khối lượng ấy rất nhỏ, nhỏ một cách “khác thường” như người ta thường nói, và thật khó để xác định mức độ “khác thường” đó tới đâu khi mà ta chưa hiểu tường tận các hạt fermion có được khối lượng như thế nào. Chúng ta chỉ biết rằng điều này liên quan tới sự phá vỡ đối xứng nguyên thủy đã tách photon ra khỏi boson yếu (chúng cùng là một hạt nếu đối xứng này không bị phá vỡ), và nó dẫn tới hàm ý về sự tồn tại một hoặc vài hạt boson có spin bằng 0, được gọi là các hạt boson Higgs.

Phát hiện gần đây nhất về hạt Higgs nhẹ nhất, có lẽ là duy nhất, là bằng chứng tuyệt vời cho lý thuyết phá vỡ đối xứng trên, tuy nhiên cơ chế vận hành của nó đối với các fermion vẫn là điều bí ẩn. Thêm vào việc nhận khối lượng, các fermion còn bị trộn lẫn giữa ba họ: chúng ở các trạng thái lượng tử khác nhau khi di chuyển tự do – các trạng thái riêng theo khối lượng – khi tương tác yếu – các trạng thái riêng theo họ – sự pha trộn này có thể được mô tả bằng bốn góc trộn được gọi là ma trận Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Còn đối với trường hợp ba cặp quark, khối lượng của chúng lớn hơn nhiều so với lepton, khối lượng của các quark và bốn góc trộn đều đã được đo lường. Câu hỏi đặt ra ở đây là: liệu điều tương tự có xảy ra với lepton hay không? Và liệu chúng ta có thể xác định được ma trận CKM cho lepton hay không?

Liên quan nhiều nhất đến những câu hỏi này là các thí nghiệm nhằm phát hiện neutrino sinh ra từ phản ứng hạt nhân diễn ra trong lõi Mặt trời. Thí nghiệm thứ nhất do Ray Davis thực hiện ở sâu trong mỏ vàng Homestake, được tiến hành liên tục từ cuối thập kỷ 1960 tới giữa thập kỷ 1990. Hệ đo là một bể chứa 400 mét khối tetracloetylen, xuất phát từ ý tưởng rằng một phần nhỏ trong số các neutrino từ Mặt trời khi xuyên qua bể sẽ bị giữ lại bởi nguyên tử Clo và chuyển nó thành một nguyên tử Argon. Khí Argon được thu nhận định kỳ bằng cách bơm những bong bóng Hê-li vào trong bể. Từ những năm đầu của thí nghiệm, người ta đều đặn ghi nhận được chỉ khoảng một phần ba số neutrino đến từ Mặt trời so với kỳ vọng. Trong nhiều năm, giới khoa học nghi ngờ có thể có sai sót nào đó trong phương pháp thí nghiệm, hay trong mô hình lý thuyết về Mặt trời dùng để tính toán thông lượng neutrino. Tuy nhiên, qua thời gian, với những thí nghiệm mới khẳng định kết quả của Davis, cuối cùng người ta đã nhận ra rằng các neutrino đến từ Mặt trời đơn giản là đã biến mất trên đường đi tới Trái đất, thí nghiệm Homestake chính là những quan sát đầu tiên về hiệu ứng dao động neutrino.

Điều xảy ra là, neutrino luôn được tạo ra trong các tương tác yếu ở một trạng thái của một họ xác định, electron, muon, hoặc tau. Tuy nhiên, sự pha trộn CKM hàm ý rằng các trạng thái này thực chất là những chồng chập của các trạng thái có khối lượng khác nhau. Khi neutrino lan truyền tự do, các trạng thái riêng khối lượng này là những sóng phẳng có tần số tỉ lệ với năng lượng của neutrino, và vì vậy chúng khác nhau khi chính khối lượng nghỉ của các neutrino là khác nhau. Điều này tạo ra sự tác động qua lại giữa ba trạng thái riêng khối lượng, dẫn đến sự xuất hiện của họ mới khác với họ ban đầu (nếu thoả mãn định luật bảo toàn năng lượng) và đồng thời dẫn đến sự biến mất dần của họ ban đầu.

Kết quả thí nghiệm của Davis được xác nhận bởi một số thí nghiệm khác, trong đó có các thí nghiệm với những hệ đo lớn tiến hành ở Nhật Bản và Canada. Hệ đo dưới lòng đất đầu tiên của Nhật Bản, có tên là Kamiokande, nhằm phát hiện các phân rã proton. Thí nghiệm không tìm được sự kiện phân rã proton nào nhưng lại xác định được rất nhiều tương tác neutrino Mặt trời từ các neutrino electron và neutrino khí quyển từ các neutrino muon. Neutrino khí quyển đến từ các mưa rào hạt xảy ra trong khí quyển tạo ra bởi các proton vũ trụ khi chúng tương tác với khí quyển Trái đất; mưa rào hạt chứa rất nhiều meson pion phân rã thành muon và neutrino muon. Bên cạnh đó, một may mắn đến với Kamiokande khi trong thời gian hoạt động có một vụ nổ siêu sao lớn xảy ra vào năm 1987, Kamiokande đã ghi nhận được sự bùng phát neutrino từ vụ nổ siêu sao này. Masatoshi Koshiba, cha đẻ của Kamiokande, đã cùng Ray Davis chia sẻ giải Nobel năm 2002.

Khi đã rõ rằng có thể quan sát hiệu ứng dao động neutrino, người ta đã thiết kế và triển khai một thí nghiệm mới, gọi là Super-Kamiokande; các chữ “nde” ở trong tên thí nghiệm bây giờ không còn có nghĩa là thí nghiệm “phân rã hạt nhân” (nucleon decay), mà có nghĩa là thí nghiệm “phát hiện neutrino” (neutrino detection). Thí nghiệm được đặt ở độ sâu 1 km dưới lòng đất là một hệ đo Cherenkov. Thực tế nó là một bể nước hình trụ khổng lồ có chiều cao và đường kính khoảng 40 m, tín hiệu được ghi nhận bởi hơn mười ba nghìn ống nhân quang điện lớn, lớp bên ngoài được tách sáng hoàn toàn với phần bên trong. Super-Kamiokande đã ghi nhận những kết quả đáng kể về các neutrino Mặt trời, cụ thể là xác định được sự tán xạ đàn hồi neutron-electron, cho phép hồi chiếu về Mặt trời với độ chính xác tuyệt hảo; cung cấp bằng chứng về dao động neutrino muon từ bất đối xứng trên-dưới (thông lượng đi từ trên xuống so với thông lượng đi xuyên qua Trái đất từ dưới lên). Những kết quả này đã được xác nhận bằng việc ghi nhận neutrino muon từ một nguồn neutrino cách hệ đo 300 km.

Hệ đo của Canada, Đài quan sát Neutrino Sudbury (SNO), cũng là một hệ đo Cherenkov nước đặt dưới lòng đất ở độ sâu 2 km nhưng có quy mô nhỏ hơn so với Super-Kamiokande. Hệ đo có dạng hình cầu, chứa hàng nghìn tấn nước nặng. SNO, được vận hành trong sáu năm đầu của thế kỷ 21, ghi nhận các tương tác của neutrino Mặt trời với deuteron theo hai cơ chế khác nhau, dòng trung hòa và dòng mang điện. Nó cũng ghi nhận các sự kiện tán xạ đàn hồi neutrino-electron, nhưng với số lượng ít hơn nhiều so với Super-Kamiokande. Trong khi dữ liệu về neutrino muon ở Super-Kamiokande chủ yếu cho phép nghiên cứu dao động neutrino muon và neutrino tauon, dữ liệu từ SNO chủ yếu về dao động neutrino electron và neutrino muon. Cùng với nhau, chúng cung cấp bằng chứng cho thấy một cách rõ ràng rằng neutrino có khối lượng. Nhờ những thành tựu đáng ghi nhận này, Takaaki Kajita với thí nghiệm Super-Kamiokande và Arthur McDonald với thí nghiệm SNO đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2015.

Tổng quan tình hình những thí nghiệm neutrino đang diễn ra đã được Guido Altarelli (arXiv:1404.3859v1 [hep.ph] 15 Apr 2014) tóm lược một cách đầy đủ. Người ta có thể cho rằng quan điểm về neutrino là những đối tượng đặc biệt đòi hỏi lý thuyết vật lý mới, vượt ra ngoài phạm vi của Mô hình Chuẩn, đang mất dần tính thuyết phục khi mà neutrino được biết là có khối lượng, tương tự như với các lepton mang điện và quark. Điều ngược lại mới đúng: rất khó để lý giải sự khác biệt của khối lượng đo được và những góc trộn giữa ba họ neutrino. Quan điểm về neutrino Majorana, với phản neutrino và neutrino được xem là cùng một hạt – khác với quan điểm neutrino Dirac của Mô hình Chuẩn, có sự khác biệt giữa neutrino và phản neutrino – đang ngày càng trở nên phổ biến hơn. Ngay cả khi người ta vẫn thất bại trong việc tìm kiếm phân rã beta kép không có neutrino, là quá trình cung cấp bằng chứng trực tiếp về neutrino Majorana. Bên cạnh đó, một câu hỏi thách thức khác cũng đang được đặt ra là: “mật độ” của neutrino, được tính bằng cách dùng bước sóng Compton để đo kích cỡ của nó, lại đúng bằng mật độ của Vũ trụ, được chi phối chủ yếu bởi năng lượng tối và hằng số vũ trụ: liệu đây có phải là một sự trùng hợp ngẫu nhiên?

Như vậy, neutrino sẽ vẫn là đề tài cuốn hút chúng ta trong nhiều năm tới, thông lệ mỗi thập kỷ một giải Nobel dành cho nó chắc sẽ còn tiếp tục, và chưa thể biết khi nào mới dừng lại.

Thanh Xuân dịch

Phạm Ngọc Điệp và Phạm Tuyết Nhung hiệu đính