Hạt neutrino có mức năng lượng kỷ lục từng dò được
Dẫu vẫn còn đang được xây dựng nhưng máy dò KM3NeT đặt dưới thềm biển đã điểm được một hạt neutrino có mức năng lượng gấp 20 lần so với trước đây.
Các nhà vật lý thiên văn đã quan sát được hạt neutrino năng lượng cao nhất từ trước tới nay. Hạt neutrino này – có thể đến từ một thiên hà ở khoảng cách xa trái đất – đã được Kính viễn vọng Cubic Kilometre Neutrino (KM3NeT), một bộ các quả cầu thủy tinh dò ánh sáng đặt trên thềm biển Địa Trung Hải, phát hiện ra vào ngày 13/2/2023. Các nhà nghiên cứu giám sát kính viễn vọng này không nhận ra việc dò ra neutrino mãi cho đến đầu năm 2024, khi họ hoàn thiện đợt phân tích dữ liệu đầu tiên của mình. Họ đã công bố sự kiện đáng ghi nhận này tại một hội thảo ở Milan, Italy, nhưng chưa miêu tả chi tiết về thòi gian, hướng và năng lượng của hạt neutrino.
“Chúng tôi từng tự thuyết phục mình là không có gì lạ hay điều kỳ quái gì với kính viễn vọng của mình cả”, Paschal Coyle, một nhà vật lý neutrino tại ĐH Aix-Marseille, Pháp và là người phát ngôn KM3NeT, nói.
Kết quả được công bố trên Nature, và sẽ còn được miêu tả trong bốn bài báo dạng tiền ấn phẩm trên arXiv.
Neutrino năng lượng cao
Các hạt neutrino đều là các hạt trung hòa về điện và nhỏ hơn một triệu lần so với electron. Chúng được tạo ra từ các lò phản ứng hạt nhân cũng như từ tâm của mặt trời, nơi chúng đột sinh với những mức năng lượng ở mức hàng triệu electronvolts (106 eV). Nhưng hơn một thập niên qua, các nhà nghiên cứu đã ghi nhận các hạt neutrino có những mức năng lượng chưa từng có khi lên tới hàng nghìn triệu triệu electronvolts (1015 eV, hoặc 1 petaelectronvolt), mà vẫn được nghĩ là có nguồn gốc từ những thiên hà xa xôi (Các hạt năng lượng cao nhất từng dò được ở mức 320.000 PeV không phải là một neutrino mà là một tia vũ trụ được các nhà khoa học gọi là hạt Oh-My-God (Ôi Chúa ơi).
KM3NeT có chứa các dây của các máy dò ánh sáng vô cùng nhạy được đặt dưới thềm biển tại độ sâu khoảng 3.500 mét so với bờ biển của hòn đảo Sicily, cũng như một dãy máy dò thứ hai, quy mô nhỏ hơn đặt tại Toulon, Pháp. Các cảm biến này sẽ chọn lấy ánh sáng phát ra từ các hạt tích điện có năng lượng cao như các hạt muon. Các hạt liên tục dội xuống bề mặt trái đất bởi vì chúng được tạo ra khi tia vũ trụ va chạm với các phân tử không khí. Nhưng đôi khi, một hạt neutrino vũ trụ va chạm vào bề mặt hành tinh cũng tạo ra một muon.
Vào tháng 2/2023, khi sự kiện do đài quan sát Sicily dò được, nhóm nghiên cứu ước tính hạt muon có mức năng lượng là 120 PeV, là một mức bất thường mà tia sáng tạo ra. Đường đi của hạt này gần như nằm ngang với bề mặt trái đất và di chuyển về phía đông, hướng tới Hy lạp.
“Mức năng lượng 120 PeV tự nó đủ để nói rằng đây là một sự kiện khủng khiếp”, theo nhận xét của Elisa Resconi, một nhà vật lý neutrino từng tham gia IceCube, Đài quan sát ở Nam Cực, nơi đầu tiên trên thế giới dò được các hạt neutrino vũ trụ vào năm 2012.
Trên cơ sở mức năng lượng cao của hạt neutrino dò được và quỹ đạo gần như nằm ngang của nó, nhóm nghiên cứu đã kết luận là hạt muon có thể được tạo ra từ một hạt neutrino chứ không phải tia vũ trụ – mức năng lượng lớn gấp 20 lần so với trước đây. “Nhìn chung là nó hoàn toàn thuyết phục”, Resconi, làm việc tại ĐH Kỹ thuật Munich, Đức.
Không ai chắc chắn được điểm xuất phát của các hạt neutrino nhưng có thể là từ một phạm vi rộng, từ các lỗ đen khổng lồ đến những vụ nổ sao, vẫn được gọi là những bùng phát tia gamma. Một số người thì cho là nó có thể được tạo ra trong những không gian liên sao, nơi các hạt như proton va chạm với phông vi sóng của vũ trụ, phần bức xạ còn sót lại từ Big Bang.
Khi KM3NeT quan sát được hạt neutrino kỷ lục này, nó có 21 chuỗi máy dò. Kể từ đó, nhóm nghiên cứu đã thêm 12 chiếc nữa, gia tăng số lượng các sự kiện mà đài quan sát này có thể dò được và cả độ chính xác của dữ liệu. Tuy nhiên nhóm nghiên cứu vẫn cần đủ kinh phí tài trợ để gia tăng thêm số lượng chuỗi lên con số 120, và hy hy vọng cuối cùng sẽ đạt tới con số 230. Dự án này sẽ có chi phí ước tính 350 triệu euro (tương đương 364 triệu USD).
Anh Vũ dịch từ Nature
Nguồn: doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00444-1
