Nghiên cứu vật lý hạt tiến gần tới việc trả lời câu hỏi tại sao có chúng ta trên trái đất
Các nhà vật lý sẽ sớm tiến gần hơn đến việc trả lời các câu hỏi cơ bản về nguồn gốc của vũ trụ bằng việc nghiên cứu nhiều hơn về những hạt nhỏ nhất.
Giáo sư Alexandre Sousa trường đại học Cincinnati trong một báo báo mới xuất bản đã phác thảo nghiên cứu trong vòng 10 năm tới ở quy mô toàn cầu về hành xử của các hạt neutrino, những hạt nhỏ bé gần như xuyên qua tất cả hàng tỉ tỉ hạt từng giây với tốc độ gần tốc độ ánh sáng.
Neutrino là những hạt có khối lượng nhiều nhất trong vũ trụ, vì vậy các nhà khoa học muốn biết nhiều hơn về nó.
Chúng được tạo ra từ những phản ánh nhiệt hạch hạt nhân trong mặt trời, sự phân rã bức xạ trong các lò phản ứng hạt nhân hoặc trong vỏ trái đất hoặc trong những máy gia tốc hạt. Khi chúng di chuyển, chúng có thể chuyển đổi từ một trong số ba “vị” neutrino và ngược lại.
Nhưng những kết quả thực nghiệm bất ngờ mà các nhà vật lý nghi ngờ rằng có thể có vị neutrino khác, gọi là neutrino trơ bởi vì nó miễn nhiễm với ba trong số bốn lực chúng ta đã biết.
“Về lý thuyết, nó tương tác với hấp dẫn nhưng không tương tác với lực khác, lực hạt nhân yếu, lực hạt nhân mạnh hay lực điện từ”, Sousa nói.
Trong bài báo mới xuất bản trên Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, Sousa và các đồng tác giả thảo luận về những dị thường trong thí nghiệm khám phá hạt neutrino đã gây tranh cãi giữa các nhà khoa học. Bài báo này là một sản phẩm của Bài tập lập kế hoạch của cộng đồng vật lý hạt, “Snowmass 2021/2022”.
Các đại diện trong lĩnh vực vật lý năng lượng cao sẽ tập hợp theo chu kỳ 10 tới để hợp tác nghiên cứu về tương lai của vật lý hạt ở Mỹ và các đối tác quốc tế.
Sousa là tác giả chính của bài báo thảo luận về một số dự án hứa hẹn nhất trong thập kỷ tới.
“Tiến triển trong vật lý neutrino đang được chờ đợi ở nhiều khía cạnh”, Zupan nói.
Bên cạnh cuộc tim kiếm các hạt neutrino trơ, Zupan nói, các nhà vật lý đang nhìn vào nhiều dị thường thực nghiệm – những bất đồng giữa dữ liệu và lý thuyết – mà họ sẽ có thể kiểm nghiệm trong tương lai gần với việc thực hiện các thí nghiệm.
Việc hiểu về các hạt neutrino có thể lật ngược hiểu biết hàng thế kỷ của chúng ta về vật lý. Vô số dự án nghiên cứu về neutrino đã được ghi nhận với những giải thưởng khoa học hàng đầu thế giới như giải Nobel, gần đây nhất là phát hiện ra các dao động neutrino được trao giải Nobel vật lý năm 2015. Nhiều quốc gia như Mỹ đang đầu tiw hàng tỉ USD vào các dự án đó bởi vì quan tâm đến việc theo đuổi những câu hỏi lớn trong khoa học.
Một trong số những câu hỏi đó là tại sao vũ trụ này lại nhiều vật chất hơn phản vật chất nếu Big Bang tạo ra sự cân bằng giữa hai thứ này. Nghiên cứu neutrino có thể đem lại câu trả lời, Sousa nói.
“Có thể là câu trả lời không đem lại sự khác biệt trong cuộc sống hằng ngày nhưng chúng ta đang cố gắng hiểu tại sao chúng ta lại ở đây”, Sousa nói. “Các hạt neutrino dường như nắm giữ phần chính của câu trả lời những câu hỏi sâu sắc đó”.
Sousa là một thành viên của dự án tham vọng nhất về neutrino DUNE Thực nghiệm Neutrino sâu dưới lòng đất do Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia Fermi dẫn dắt. Các nhà nghiên cứu đã khai thác mỏ vàng Homestake đã bỏ hoang sâu dưới lòng đất 5.000 feet để lắp đặt các máy dò neutrino . Mất khoảng 10 phút để đi thang máy xuống nơi đặt máy dò, Sousa nói.
Các nhà nghiên cứu đặt các máy dò sâu dưới lòng đất để che chắn chúng khỏi các tia vũ trụ và bức xạ nền. Điều này cũng giúp phân lập các hạt sinh ra từ thực nghiệm.
Thực nghiệm này được lên khung để bắt đầu vào năm 2029 với việc lắp đặt hai modul máy dò đo đạc các hạt neutrino từ bầu khí quyển. Nhưng chính thức vận hành vào năm 2031, các nhà nghiên cứu tại Fermilab sẽ bắn một chùm tia các hạt neutrino năng lượng cao dài 800 dặm xuyên qua trái đất tới máy dò đang chờ ở South Dakota và một máy dò gần hơn nhiều tại Illinois. Dự án này là một hợp tác với khoảng hơn 1.400 kỹ thuật viên, nhà vật lý và các nhà khoa học quốc tế khác.
“Với hai modul máy dò và một chùm tia neutrino cường độ cao nhất từ trước tới nay, chúng tôi có thể làm được nhiều điều cho khoa học”, Sousa nói. “Việc DUNE được vận hành sẽ gây phấn khích cho các nhà khoa học. Đây sẽ là thực nghiệm đỉnh cao nhất về neutrino từ trước tới nay”.
Bài báo là kết quả của một dự án đầy tham vọng, với sự tham gia của hơn 170 nhà khoa học từ 118 trường đại học, viện nghiên cứu và 14 nhà khoa học làm nhiệm vụ biên tập, trong đó có cả Sousa.
“Đây là một ví dụ tốt về sự hợp tác với một nhóm các nhà khoa học ở các lĩnh vực khác nhau. Không bao giờ dễ dàng cả nhưng thực sự là một may mắn khi được làm việc cùng nhau”, ông nói.
Trong khi đó, Sousa và Aurisano cũng của UC đã tham gia một thực nghiệm neutrino khác của Fermilab mang tên NOvA nhằm kiểm tra tại sao các neutrino lại thay đổi vị qua lại và chúng thay đổi như thế nào. Vào tháng sáu vừa qua, nhóm nghiên cứu của ông đã báo cáo về các phát hiện mới, đem lại những đo đã chính xác nhất về khối lượng hạt neutrino từ trước tới nay.
Một dự án khác mang tên Hyper-Kamiokande (Hyper-K) là một quan sát và thực nghiệm về neutrino đang được xây dựng ở Nhật Bản. Việc vận hành thực nghiệm này sẽ bắt đầu sớm vào năm 2027 để nhìn vào các bằng chứng về các hạt neutrino trơ cùng những câu hỏi nghiên cứu khác.
“Nó có thể sẽ nắm giữ nhiều kết quả thú vị, đặc biệt khi anh đặt kết quả từ Hyper-K cùng với DUNE. Vì vậy sự kết hợp của hai thực nghiệm sẽ làm mở rộng hiểu biết của chúng ta nhiều hơn”, Sousa nói. “Chúng tôi chỉ có thể có một số câu trả lời vào những năm 2030”.
Zupan của UC nói những dự án tốn hàng tỉ USD đầu tư này hứa hẹn có câu trả lời cho những câu hỏi cốt lõi về vật chất và phản vật chất cũng như nguồn gốc của vũ trụ.
“Từ trước đến nay chúng ta biết chỉ biết duy nhất một tham số của vật lý hạt có một giá trị khác không, và có liên quan với các đặc trưng của quark”, Zupan nói. “Liệu có hay không đặc tính tương tự với các hạt neutrino là một câu hỏi thú vị”.
Sousa cho biết các nhà khoa học khắp thế giới đang nghiên cứu về các thực nghiệm neutrino khác có thể đem lại những câu trả lời hay tạo ra những câu hỏi mới.
Bội Linh dịch từ University of Cincinnati
