Hạt ma ở các quy mô khác nhau: Nghiên cứu đề xuất xác định khối lượng hạt neutrino chính xác hơn

Khối lượng của hạt neutrino khi nó đứng yên là bao nhiêu? Đây là một trong những câu hỏi chưa được giải đáp trong vật lý. Các hạt neutrino đóng một vai trò trung tâm trong tự nhiên. Một nhóm nghiên cứu do Klaus Blaum, giám đốc của Viện nghiên cứu Vật lý hạt nhân Max Planck ở Heidelberg, đã có một đóng góp quan trọng trong việc “cân đo” các hạt neutrino như một phần nội dung công việc của nhóm hợp tác ECHo.

Minh họa hạt neutrino.

Phát hiện của họ đã được xuất bản trên Nature Physics 1.

Họ sử dụng một bẫy Penning, dùng để đo đạc sự thay đổi về khối lượng của đồng vị holmium-163 với độ chính xác cực cao khi hạt nhân của nó nắm bắt một electron và chuyển thành dysprosium-163. Từ đó, có khả năng xác định được giá trị Q chính xác hơn 50 lần so với trước đây. Bằng việc sử dụng giá trị Q chính xác hơn, có thể nhận diện được các lỗi hệ thống có thể gặp phải trong việc xác định khối lượng nghỉ của hạt neutrino.

Vào những năm 1930, người ta phát hiện ra là cả năng lượng lẫn sự cân bằng động năng đều không chính xác trong phân rã beta của một hạt nhân nguyên tử. Điều này dẫn đến định đề “các hạt ma” đó mang một cách bí mật năng lượng và động năng. Vào năm 1956, chứng minh thực nghiệm trên nhiều hạt neutrino cuối cùng đã được thực hiện. Thách thức là ở chỗ các hạt neutrino chỉ tương tác với các hạt vật chất thông qua tương tác yếu làm cơ sở cho phân rã beta của hạt nhân nguyên tử.

Vì nguyên nhân này, hàng trăm tỉ tỉ hạt neutrino từ vũ trụ, đặc biệt là mặt trời, có thể xuyên qua cơ thể của chúng ta mỗi giây mà không tạo ra tác động nào. Các va chạm neutrino với các hạt khác vô cùng hiếm xảy ra và chỉ có thể dò được trên các máy dò cực lớn.

Các hạt neutrino từ mặt trời đem đến một khám phá nền tảng khác: hạt neutrino mà chúng ta đã biết có thể chuyển đổi thành ba dạng khác nhau. Tuy nhiên, các “dao động neutrino” này có một hệ quả quan trọng với quan điểm về thế giới của vật lý hạt. Trước đây, người ta đã giả định các hạt neutrino không có khối lượng, giống như các photon. Điều này có thể tương thích với Mô hình chuẩn của vật lý hạt, miêu tả tốt nhất về thế giới hạt cho đến ngày nay. Dẫu vậy thì những dao động đã lấy đi khối lượng nghỉ của các hạt neutrino – một chỉ dấu xa hơn về thứ vật lý mới tồn tại ngoài Mô hình chuẩn. Thật không may, người ta không thể đặt một cách đơn giản một hạt neutrino vào một quy mô nào đó. Điều này đòi hỏi những thực nghiệm vô cùng phức tạp dựa trên những quá trình vật lý có thể tiếp cận được về mặt kỹ thuật, bao gồm các hạt neutrino.

“Một cách là phân rã beta của tritium”, theo giải thích của Christoph Schweiger, nghiên cứu sinh ở Viện nghiên cứu Vật lý hạt nhân Max Planck. Tại đó, một trong số hai neutron ở các phân rã hydrogen siêu nặng chuyển thành một proton và phát xạ một electron với một neutrino, do đó chuyển đổi một nguyên tử thành helium nhẹ hơn. Quá trình này được thực nghiệm KATRIN ở Viện nghiên cứu Kỹ thuật Karlsruhe “cân đo”.

“Con đường bổ sung này là việc bắt electron của đồng vị nhân tạo holmium-163”, Schweiger tiếp tục. Tại đây, hạt nhân nguyên tử bắt một electron từ lớp vỏ electron bên trong, theo đó một proton được chuyển đổi thành một neutron, tạo thành nguyên tố dysprosium-163. Quá trình này đã giải phóng một neutrino. Nhóm hợp tác quốc tế ECHo mà các nhà khoa học ở Heidelberg tham gia đã nỗ lực đo đạc quá trình phân rã này về mặt năng lượng với độ chính xác cực cao.

Theo công thức E = mc2 của Einstein, khối lượng và năng lượng tương đương nhau, vì vậy đo đạc năng lượng có thể được cân bằng với các khối lượng đo lường được. Như một nhiệt kế chính xác, ECHo đã đo đạc được chính xác tổng năng lượng của quá trình phân rã này: nó phản hồi với tổng giá trị Q trừ đi khối lượng nghỉ của hạt neutrino được giải phóng. Với mục đích này, đồng vị holmium-163 được tích hợp với một lớp nguyên tử vàng.

“Tuy nhiên, các nguyên tử vàng có thể có một ảnh hưởng nhất định lên holmium-163”, Schweiger giải thích. “Do đó có thể đo lường giá trị Q chính xác bằng việc sử dụng một phương pháp thay thế và so sánh nó với một giá trị đã được xác định về mặt nhiệt lượng để dò ra các nguồn nhiễu một cách có hệ thống”.

Bẫy Penta bao gồm năm bẫy Penning.

Đó là nơi thực nghiệm bẫy penta Heidelberg và luận văn của Schweiger thể hiện năng lực của mình. Bẫy Penta bao gồm năm bẫy Penning. Trong các bẫy đó, các nguyên tử tích điện có thể bắt vào trong một sự kết hợp điện trường và từ trường tĩnh.

Các ion này đã thực hiện một “điệu nhảy vòng” phức tạp, cho phép xác định khối lượng của chúng ở mức vô cùng chính xác. “Giống như với một máy bay Airbus A-380 với mức tải tối đa, bạn có thể sử dụng độ nhạy này để xác định liệu có một giọt nước rơi xuống nó không”, anh minh họa cho các năng lực của thiết bị thí nghiệm ở quy mô lớn.

Về nguyên tắc, một bẫy Penning hoạt động như một cái đu. Nếu bạn đặt hai đứa trẻ có cân nặng khác nhau lên hai cái đu cùng một kiểu và đẩy chúng bằng lực đẩy bằng nhau, bạn sẽ quan sát được một chuyển động trên các tần số đu. Điều này có thể được sử dụng để tính toán sự khác nhau trong khối lượng giữa hai đứa trẻ.

Trong trường hợp của thực nghiệm bẫy penta, đó là sự khác biệt về khối lượng giữa một ion holmium-163 và một ion dysprosium-163. Thêm vào đó, đu của hai đứa trẻ được đẩy càng nhanh thì càng nhanh chóng đạt được kết quả và đem lại kết quả chính xác hơn nhiều so với lúc quan sát đu chậm.

Vì nguyên nhân này, nhóm nghiên cứu loại bỏ được 38, 39 và 40 electron từ các ion “tích điện cao” trong ba chùm đo đạc khác nhau, khiến cho các ‘điệu nhảy vòng” của chúng nhanh hơn đáng kể. “Nếu tất cả đều vận hành như vậy, có thể thực hiện một đo lường chỉ trong một vài tuần”, Schweiger nói.

Từ những kết quả khác nhau về khối lương như một kết quả của vô số đo lường tần số, qua E = mc2, các nhà khoa học Heidelberg cuối cùng đã có thể xác định được giá trị Q của bắt giữ electron chính xác hơn 50 lần so với trước đây. “Sự đóng góp của ba nhóm nghiên cứu lý thuyết, bao gồm nhóm của Christoph Keitel tại viện này, có vai trò quan trọng trong đo lường của chúng tôi”, Schweiger nhấn mạnh.

Thêm vào sự khác biệt tần số giữa hai ion này, một biến thứ hai có ảnh hưởng quan trọng với giá trị Q đã được xác định: năng lượng lưu lại trong hệ electron còn lại là một ion tích điện cao. Như một ion lớn là một hệ đa hạt, tính toán này rất phức tạp.

Hóa ra là các phép tính đạt được trong cùng các giá trị Q hầu như giống nhau cho ba trạng thái tích điện được đo đạc với 38, 39 và 40 electron được loại bỏ. Điều này làm cho những bất định mang tính hệ thống trong thực nghiệm là lý thuyết đều có thể được loại bỏ, Schweiger nhấn mạnh một cách nồng nhiệt. Và điều này có ý nghĩa gì với các khối lượng của hạt neutrino?

KATRIN đã xác định được giới hạn trên chính xác nhất hiện nay với khối lượng của hạt neutrino bằng “cân nặng” 0,8 electron volt trên bình phương tốc độ ánh sáng, tương đương với một con số không thể hình dung được là 0,0000000000000000000000000000000000014 kilogram.

Bậc độ lớn 10-36 này tương ứng xấp xỉ với tỉ lệ khối lượng giữa bốn quả nho khô với mặt trời. Và đó chỉ là giới hạn trên. Phân tích phân bố khối lượng được ước tính trong vũ trụ về giới hạn trên thấp hơn của khối lượng hạt neutrino là 0,12 electron volt trên tốc độ bình phương ánh sáng.

“Tuy nhiên, phân tích này rất phức tạp và phụ thuộc vào mô hình vũ trụ được sử dụng”, Schweiger nói. Trong bất cứ trường hợp nào, rõ ràng là ai muốn cân đo khối lượng neutrino sẽ phải đối mặt với những thách thức cực lớn ở biên giới của những gì có thể áp dụng về mặt kỹ thuật. Với bối cảnh này, kết quả của Heidelberg là một bước tiến lớn trên đường giải quyết bí ẩn của các khối lượng hạt neutrino.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2024-04-ghost-particle-scales-precise-neutrino.html

https://www.livescience.com/physics-mathematics/scientists-are-one-step-closer-to-knowing-the-mass-of-ghostly-neutrinos-possibly-paving-the-way-to-new-physics

——————————————-

1.https://www.nature.com/articles/s41567-024-02461-9

Tác giả