Hạt neutrino nặng bao nhiêu? Cuộc chạy đua đang được gia nhiệt
Các nhà vật lý thảo luận về việc cải thiện những đo đạc khối lượng của hạt siêu nhẹ này trong phòng thí nghiệm.
Các nhà vật lý muốn thúc đẩy các nỗ lực đo lường hạt neutrino, loại hạt có lẽ là bí ẩn bậc nhất trong các hạt cơ bản 1.
Hiện tại, chỉ có một thực nghiệm trên thế giới có thể thực hiện được đo đạc khối lượng, máy dò Zeppelin-shaped Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) ở Đức 2. Nhưng các nhà nghiên cứu ở nhiều phòng thí nghiệm khác đã phát triển những cách tiếp cận thay thế. Họ tập hợp ở Genoa, Italy, để so sánh tại hội thảo mang tên NuMass 2024 (Khối lượng neutrino).
Ba nhóm nghiên cứu cho biết họ đã xây dựng các thực nghiệm quy mô nhỏ chứng tỏ các kỹ thuật của mình có thể triển khai được. Một nhóm khác đang thực hiện một cách tiếp cận thậm chí còn có thể hữu dụng hơn. Các nhà nghiên cứu hi vọng xây dựng được các phiên bản các thiết bị ở quy mô lớn có thể cuối cùng cạnh tranh được với KATRIN, hoặc có thể cải thiện nó.
Các quan sát về cấu trúc vũ trụ ở những quy mô lớn nhất đề xuất là các hạt neutrino vô cùng nhẹ, với khối lượng cỡ 0,12 electronvolts – bốn triệu lần nhỏ hơn khối lượng một electron. Nếu chính xác, như ước tính đặt khối lượng đúng của hạt neutrino ra khỏi tầm với của KATRIN. “Chúng tôi lo ngại là KATRIN, ngay cả việc nó là một thực nghiệm lớn, có thể không xác định được khối lượng”, theo nhà vật lý Matteo Borghesi của trường ĐH Milan-Bicocca ở Italy và trao đổi về tiến trình mà nhóm nghiên cứu của ông thực hiện về một kỹ thuật thực nghiệm thay thế tại hội thảo. “Chúng ta phải được chuẩn bị”.
Những khối lượng siêu nhỏ
Để đo lường các hạt neutrino, các nhà vật lý thường sử dụng sự phân rã của các đồng vị phóng xạ. Các hạt neutrino tạo ra nhiều phân rã giải phóng những thứ chưa dò được hết nhưng khối lượng của chúng có thể được tính toán bằng đo đạc mức năng lượng của các hạt còn lại.
KATRIN sử dụng ‘phân rã beta’ của tritium, một đồng vị phóng xạ năng của hydrogen. Khi tritium phân rã, một trong hai neutron trong hạt nhân của nó được chuyển đổi thành một a proton, loại đi một electron (cũng gọi là hạt beta) và một neutrino (hay chính xác hơn là một hạt cùng khối lượng, một hạt phản neutrino) 3. Chúng ta đã biết rõ sự phân rã này phát ra tổng mức năng lượng, và phần lớn năng lượng này được electron và neutrino mang theo, trong hình thức của năng lượng động lực học cũng như năng lượng bị bẫy trong khối lượng của hai hạt. Có thể xác định được hạt neutrino với một phạm vi các mức năng lượng có thể nhưng tại mức tối thiểu nó phải mang được lượng mà khối lượng của nó có thể chịu được. KATRIN đặt mục tiêu ước tính được mức tối thiểu thông qua việc đo lường phạm vi đầy đủ của các mức năng lượng phản hồi của electron, có thể xác định được nơi nào các electron dừng lại trong cấu trúc hình dạng khí cầu Zeppelin.
Cho đến nay, kết quả tốt nhất của KATRIN là một giới hạn trên 0,8 eV của khối lượng hạt neutrino, còn độ nhạy tốt nhất của KATRIN là 0,2 eV. Do đó, khi nhóm hợp tác KATRIN thông báo kết quả cuối cùng trong năm nay, thì nó chỉ có thể thực hiện được một đo lường xác thực nếu khối lượng nằm trong khoảng từ 0,2 đến 0,8 eV. Một kết quả như vậy có thể bất đồng với những ước tính vũ trụ học, theo góc nhìn của Olga Mena, một nhà vật lý lý thuyết hạt tại Viện Vật lý hạt ở Valencia, Tây Ban Nha. Với khối lượng của hạt neutrino nằm trong phạm vi KATRIN có thể đo đạc được có thể đem lại “thứ vật lý lạ lùng, vô giá”, Mena nói, như những lực cơ bản chưa được biết đến trước đây ảnh hưởng đến các hạt neutrino, hay thay đổi cả lý thuyết hấp dẫn của Einstein.
Bắt electron
Các nhà vật lý muốn phát triển các kỹ thuật cuối cùng có thể nâng cao độ nhạy để có thể chạm đến các mức khối lượng nhẹ hơn cũng như giúp vượt qua những rào cản thực nghiệm. Hội thảo NuMass diễn ra tại thời điểm thú vị trong lĩnh vực này, nhà vật lý Loredana Gastaldo ở ĐH Heidelberg, Đức cho biết, bởi vì một số lựa chọn mới giờ đã đủ trưởng thành tới điểm mà chúng có thể trở thành những thực nghiệm chính thức. Một sự lựa chọn có thể thúc đẩy sự phân rã của holmium-163, một đồng vị phóng xạ của nguyên tố đất hiếm holmium.
Không như tritium, holmium-163 không bị ảnh hưởng bởi phân rã beta. Thậm chí, một trong những electron của nguyên tử này đã bị một proton trong hạt nhân của nó “bắt” được. Proton sau đó đã được chuyển đổi thành một neutron rồi giải phóng một neutrino và các photon. Electron bị bắt giữ để lại phía sau một khoảng trống trong hình dạng của các electron của nguyên tử, và các electron khác nhanh chóng tái sắp xếp lại mình, giải phóng năm lượng. Nếu nguyên tử holmium ban đầu ở trong một vật liệu, mọi năng lượng có thể bị giữ lại, tạo ra một lượng cực nhỏ nhiệt có thể đo được với một máy dò đủ nhạy.
Ý tưởng sử dụng cách tiếp cận này, hay còn gọi là bắt electron, đầu tiên do Álvaro de Rújula, một nhà vật lý lý thuyết ở CERN, đề xuất vào năm 1981. Khi nghỉ ở bờ biển Copacabana, Rio de Janeiro, đột nhiên ông lóe lên ý tưởng khi nhìn vào hình dạng của núi Sugarloaf gần đó, giống “hình dạng của phổ bắt electron” (một đồ thị chứng tỏ phạm vi năng lượng có thể được đo đạc như nhiệt dư từ quá trình phân rã).
Các nhà vật lý đã xếp xó ý tưởng này sau một số nỗ lực ban đầu nhưng sau đó trở lại với nó vào cuối những năm 1990 với thử nghiệm của Gastaldo và một đồng nghiệp khác, Angelo Nucciotti tại Milan-Bicocca. Mặc dù cả hai nhóm đều không được tài trợ đủ và không đủ nhân sự, họ vẫn kiên trì làm việc “một cách anh hùng” và ít được ghi nhận trong nhiều năm, de Rújula nói.
Mỗi nhóm nghiên cứu đều có một cách tiếp cận khác nhau để đưa holmium-163 vào các phiến kim loại gắn trong các máy dò nhiệt cực nhạy tại các mức nhiệt độ gần tới zero tuyệt đối. Cả hai nhóm đã chứng tỏ họ có thể đo đạc được năng lượng với độ chính xác cao. Trong năm 2019, Gastaldo và đồng nghiệp của mình đã đặt một giới hạn trên 150 eV cho khối lượng neutrino, và họ hiện đang nghiên cứu để cải thiện hiệu quả gấp mười. “Chúng tôi giờ có thể chứng tỏ holmium cũng có thể tham gia cuộc chơi này”, Gastaldo nói.
Những phương pháp thay thế
Một cách tiếp cận khác được miêu tả trong hội thảo do Juliana Stachurska, một nhà vật lý ở (MIT) ở Cambridge, trình bày. Trong một thực nghiệm mang tên Project 8, chị và cộng sự đặt khí tritium mật độ thấp vào một chai từ dùng để bẫy các electron từ phân rã beta bằng từ trường. Trong công trình xuất bản vào năm ngoái, các nhà nghiên cứu chứng tỏ họ có thể đo đạc được năng lượng của electron với độ chính xác cao bằng việc phân tích sóng radio. Nhóm nghiên cứu lên kế hoạch chuyển sang tritium nguyên tử, vồn nhiều thách thức để thực hiện nhưng giúp loại bỏ được một số bất định thực nghiệm làm giới hạn độ chính xác của các thực nghiệm trước, trong đó có KATRIN. “Từ trước tới nay chưa có ai làm thực nghiệm với tritium nguyên tử”, Stachurska nói.
Nhà vật lý MIT Joseph Formaggio, phát ngôn viên của Project 8, nói ông hy vọng một ngày nào đó thiết lập được một phiên bản quy mô lớn của thực nghiệm này để có thể đưa độ chính xác tới 0,04 eV – đủ nhỏ để đánh bại những giới hạn ràng buộc ở các thực nghiệm vũ trụ học.
Thậm chí ngay cả vượt qua được lằn ranh này, một đề xuất thực nghiệm mang tên PTOLEMY sử dụng tritium ở dạng rắn hơn là khí để tạo thành graphene, một vật liệu carbon dạng màng mỏng có độ dày ở cấp độ nguyên tử. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu đóng gói nhiều hơn tritium và thu được những phát thải bức xạ cao hơn.
Cho đến nay, cộng đồng vật lý neutrino háo hức chờ đợi những kết quả cuối cùng của KATRIN, Borghesi nói. Ngay cả khi thực nghiệm đạt được đến những giới hạn của độ nhạy được thiết kế thì các nhà nghiên cứu tham gia vào kế hoạch này sẽ tiếp tục nâng cấp nó. Magnus Schlösser, một nhà vật lý tại Viện Công nghệ Karlsruhe, cho rằng thông điệp chính của mình tại hội thảo là “KATRIN sẽ không đóng các cánh cửa sau chiến dịch săn tìm hiện tại”.
Tô Vân tổng hợp
Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-024-00620-9
https://news.yale.edu/2023/09/12/project-8-takes-mystery-neutrino-mass
——————————-
2.https://tiasang.com.vn/doi-moi-sang-tao/lap-gioi-han-tren-cua-khoi-luong-neutrino-20761/
