Neutrino, sứ giả liên kết Vũ trụ và Hạt cơ bản

Ngày nay vũ trụ được hiểu là ra đời cách đây 13.8 tỷ năm từ một nhiệt độ và năng lượng cực kỳ lớn dồn ép trong một không gian vô cùng nhỏ đã xảy ra một vụ nổ kinh hoàng mang tên gọi Big Bang làm nó dãn nở nhanh chóng, ước tính khoảng cách (giữa trái đất và chân trời của vũ trụ) là 47 tỷ năm-ánh sáng.

Thuyết Big Bang tiên đoán sự hiện hữu tất yếu của một hiện tượng vật lý mang tên “bức xạ nền vũ trụ”, đó là ánh sáng tàn dư của cái thuở hồng hoang cực nóng mà nay lạnh chỉ còn 2°,725 độ Kelvin đang lan tỏa khắp nơi trong toàn vũ. Sự khám phá tình cờ ra nó năm 1965 bởi Penzias và Wilson là bằng chứng thực nghiệm rất thuyết phục về Big Bang. Ngày nay trong vũ trụ bao la đó có chừng 95% của một cái năng-khối lượng gì đó mà chúng ta chưa từng biết, chúng mang tên gọi Năng lượng tối (chiếm khoảng 68%) và  Vật chất tối (chiếm 27%). Còn lại chừng 5% là vật chất bình thường quen thuộc mà phản ứng tổng hợp nhiệt hạch trong tâm lõi các vì sao làm chói sáng bầu trời. Hạt neutrino, chi phối duy nhất bởi lực hạt nhân yếu, đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong phản ứng nhiệt hạch này.

Năng lượng tối diễn tả sự dãn nở ngày càng tăng tốc của vũ trụ từ hơn 7 tỷ năm gần đây, ngược lại từ 13.8 đến 7 tỷ năm về trước đó, do sức ép của trọng trường vật chất, vũ trụ đã giảm dần gia tốc tăng trưởng của thủa ban đầu Big Bang. Còn Vật chất tối diễn tả sự gắn kết mạnh mẽ giữa các chùm thiên hà xa xăm không cho chúng phân tán. Vật chất tối này không bức xạ, không bị chi phối bởi ba tương tác cơ bản quen thuộc (lực điện-từ, hai lực mạnh và yếu của hạt nhân nguyên tử), khối lượng của vật chất tối chỉ có vai trò duy nhất là tạo ra một lực ép mới lạ để giữ cho các thiên hà góp thành chùm chứ không tung bay khắp phía. Nguồn gốc và bản chất bí ẩn của năng lượng tối (mang tính chất đẩy ra) và vật chất tối (mang tính chất hút vào), hai thành phần chế ngự hầu như toàn diện vũ trụ, là đề tài nóng bỏng của thiên văn và vật lý hạt cơ bản hiện đại.

Kỳ lạ và bí ẩn thay, 95% năng-khối lượng của vũ trụ ở ngoài tầm hiểu biết hiện nay của con người!

2. Sơ lược hiện tình về hạt cơ bản

Những viên gạch sơ cấp cấu tạo nên vật chất gồm hai phần tóm tắt trong Hình 1: fermion (hạt có spin ½) như quark với lepton và boson chuẩn (hạt có spin 1) như photon, gluon và W^±, Z⁰.  Có sáu loại quark mang ký hiệu u (up), d (down), s (strange), c (charm), t (top), b (bottom), và sáu loại lepton bao gồm ba hạt e– (electron), μ– (muon), τ – (tauon) mang điện tích âm -e, và ba hạt neutrino v_e, v_μ, v_τ trung hòa điện tích, ba hạt neutrino này bao giờ cũng sánh đôi từng cặp với e– , μ–, τ – vì chúng lần lượt là sản phẩm của phân rã bêta kèm theo các hạt electron, muon và tauon.

Chỉ có ba lực cơ bản chi phối những tương tác của các hạt cơ bản, đó là hai lực hạt nhân mạnh và yếu cùng với lực điện-từ. Lực mạnh gắn kết quark trong hạt nhân nguyên tử làm cho vật chất vững bền nói chung. Lực yếu làm cho hạt nhân phân rã và chi phối toàn diện sự vận hành của neutrino. Lực điện-từ diễn tả electron tương tác với hạt nhân nguyên tử, tạo nên các nguyên tử và phân tử của các hóa chất trong bảng tuần hoàn Mendeléev cũng như của các tế bào và gen sinh vật.

Quark cũng như lepton tương tác với nhau qua sự nối kết bởi các boson chuẩn để truyền tải lực. Boson chuẩn của điện-từ là photon, của lực mạnh là gluon, của lực yếu là W^± và Z⁰.

Thành tựu tuyệt vời này gọi là Mô Hình Chuẩn, mà đỉnh cao là sự thống nhất lực yếu với lực điện-từ qua cơ chế Higgs trong đó neutrino và Z⁰ đóng vai trò tiền phong quyết định, đã mang lại khoảng ba chục giải Nobel trong ba chục năm gần đây.

Hình 1: Sơ đồ các hạt cơ bản

Lực yếu chi phối các phản ứng tổng hợp nhiệt hạch trong các thiên thể. Sự tổng hợp nhiệt hạch trong các vì sao: 4 H → He + 2 e⁺  + 2 v_e là thí dụ của lực yếu với phát xạ neutrino (Hình 2). Vì khối lượng của bốn nguyên tử Hydrogen lớn hơn khối lượng của Helium nên thặng dư khối lượng đó biến thành năng lượng qua E = mc2 để làm trung tâm mặt trời nóng rực tới chừng 20 triệu độ.

Hình 2: Tổng hợp nhiệt hạch: 4 H → He + 2 e⁺  + 2 v_e  

Neutrino phát tán không những từ các thiên thể mà cũng từ phóng xạ tự nhiên của Uranium trong tâm lõi của quả đất để tạo nên plasma nóng khoảng 6000° và chuyển dần ra các lớp đất bên ngoài qua núi lửa. Mới cách đây 18 ngàn năm, trong giai đoạn cuối của thời kỳ băng thạch, tuyết phủ dầy đặc bao trùm cả vùng xích đạo. Biết đâu người tiền sử đã thoát nạn tuyệt chủng bởi cái lạnh kinh hoàng này, vì cũng trong thời kỳ đó thì núi lửa lại hoạt động cực kỳ mạnh, nhiệt lượng sản xuất trong lòng trái đất chính là do phóng xạ neutrino tự nhiên này.

3. Bản tính của neutrino và viễn tượng

3 a – Khối lượng: To be or not to be

Người ta đã biết từ lâu là neutrino  v_e cũng như  v_μ và  v_τ có khối lượng quá ư nhỏ nhoi, thậm chí không có. Vậy câu hỏi cực kỳ quan trọng là neutrino có hay không khối lượng cần được soi sáng và định lượng. Bằng cách nào mà cân đo những khối lượng quá ư nhỏ bé đó? cách cân đo này dựa trên sự dao động  và chuyển hoán giữa ba loại neutrino v_e, v_μ, v_τ với nhau, loại này biến thành loại khác, điều chỉ có thể xảy ra nếu chúng có khối lượng khác 0 và cũng khác nhau nữa.

Các nhà thiên văn-vật lý dò tìm neutrino vũ trụ đến từ các sao siêu mới và đặc biệt từ mặt trời rồi xác định cùng đo lường khối lượng của chúng, điều cực kỳ khó khăn ví von như tìm kim cương trong sa mạc. Mặc dầu có vô hạn neutrino trong hoàn vũ (riêng mặt trời phóng ra đã vài chục tỷ neutrino từng giây đang xuyên qua mỗi cm² da thịt chúng ta) thế mà chỉ có thể phát hiện được vài chục hạt để đo lường tính chất vật lý của chúng. Ở Kamiokande (Nhật) máy dò chứa 50 ngàn m³ nước trong vắt đặt dưới hầm mỏ kẽm (Hình 3), ở Homestake (Mỹ) trong hầm mỏ vàng, ở Baksan (Nga) trong rặng núi Caucasus, ở Sudbury (Canada) nằm sâu trong mỏ thiếc.

Giải Nobel vật lý 2015 dành cho T. Kajita và A. McDonald đã thành công trong sự cân đo được khối lượng các neutrino này, Kajita khám phá ra v_μ đến từ vũ trụ bị mất đi một phần khi tới trái đất vì nó dao động biến thành v_τ và v_e, còn McDonald quan sát thấy v_e từ mặt trời đến trái đất cũng một phần biến thành v_μ.

Khối lượng khác 0 của neutrino đáp ứng ra sao những câu hỏi về cấu trúc và vận hành nói chung của vũ trụ, tại sao chỉ có vật chất mà vắng bóng phản vật chất trong toàn vũ, bản tính của vật chất tối.

Hình 3: Máy dò neutrino ở Super-Kamiokande

3b – Thiên văn – Neutrino

Ánh sáng khắp nơi trong vũ trụ đến với chúng ta chỉ là từ vỏ ngoài mặt của các thiên thể vì photon sinh ra trong tâm lõi các tinh tú không thoát nổi ra ngoài vỏ mà bị hấp thụ cùng biến đổi bởi môi trường nóng đặc trong các vì sao. Chính vì photon không thể cho ta thông tin trong tâm lõi các thiên thể mà neutrino vũ trụ được tận dụng để tìm hiểu các hiện tượng xảy ra trong đó, trước hết bằng cách đo lường thông lượng của neutrino sản xuất trong tâm mặt trời. Vì lực yếu có cường độ tác động quá nhỏ nên v_e xuyên suốt từ trong ra ngoài mặt trời để đến trực tiếp máy dò trên trái đất mà không hề biến đổi, trừ khi bị hoán chuyển thành v_μ hay v_τ nếu chúng có khối lượng và ngành khoa học mới lạ ‘thiên văn-neutrino’ đang trên đà phát triển mạnh.

Khởi đầu từ năm 1968 ở Homestake bởi R. Davis, tiếp nối bởi M. Koshiba ở Kamiokande, hai vị nhận giải Nobel năm 2002 vì tiên phong mở đường xây dựng ngành thiên văn-neutrino (thiên văn của lực yếu) bổ sung cho ngành thiên văn cổ điển sử dụng ánh sáng (thiên văn của lực điện-từ).

Ngày 24 tháng 2 năm 1987, mấy đài ‘thiên văn-neutrino’ ở Nhật, Mỹ, Nga đã quan sát đo lường được cả thảy 24 hạt đến từ một sao siêu mới SN1987A trong thiên hà Magellan cách đây 170 ngàn năm đã nổ bùng mà độ chói sáng rực rỡ tương đương với mươi tỷ mặt trời và phát tán tổng cộng 10⁵⁸ hạt neutrino.

Những nguồn năng lượng lớn gấp tỷ lần năng lượng mặt trời từ biên ải của vũ trụ như sao siêu mới hay lân cận các lỗ đen cũng phát tán ra neutrino. Ngoài các hầm mỏ đã nói, nhiều đài thiên văn-neutrino đồ sộ – nằm sâu dưới băng tuyết ở Nam cực hay dưới biển cả – được xây dựng để khảo sát đo lường những neutrino năng lượng cực kỳ cao đó.

3c – Neutrino và Phản Neutrino

Trong 12 viên gạch cơ bản có sáu loại quark và ba hạt electron, muon, tauon, chúng đều mang điện tích. Những hạt có điện tích này phải khác phản hạt (vì điện tích của chúng ngược dấu), ta gọi chung là loại hạt Dirac. Trái lại neutrino vì trung hòa điện tích nên có khả năng là neutrino cũng chính là  phản neutrino, lồng ghép trong nhau tuy hai mà một. Ta gọi nó là neutrino Majorana, khác với trường hợp neutrino Dirac theo đó neutrino và phản neutrino khác nhau, neutrino Dirac có spin xoay trái thì phản neutrino Dirac xoay phải. Còn neutrino Majorana có cả hai thành phần, xoay trái và xoay cả phải. Neutrino thuộc vào loại nào? Bản chất Dirac hay Majorana của neutrino được xác định qua sự phân rã rất hiếm gọi là bêta-kép mà nhiều nhóm thực nghiệm đang tiến hành:

neutron + neutron → proton + proton + e^– + e^– + 2  phản neutrino  (Dirac)

neutron + neutron → proton + proton + e^– + e^– + 0 neutrino (Majorana)

Trong tất cả các hạt cơ bản, duy nhất neutrino có tiềm năng thuộc vào loại Majorana, nếu là loại này thì sự bảo toàn số lepton sẽ bị vi phạm, hai electron có thể biến thành hai boson chuẩn W^–, điều không thể xảy ra với Mô Hình Chuẩn.

Ngoài ra, neutrino Majorana nếu hiện hữu có thể là ứng viên sáng giá cho ‘vật chất tối’, chiếm 27% thành phần vật chất của Vũ trụ.

Trở về trái đất, neutrino còn được sử dụng thiết thực bởi các nhà địa-vật lý để dò tìm, kiểm soát sự vận hành và an ninh (dân sự, quân sự) của máy điện hạt nhân.

12/10/15