Những kết quả cuối cùng từ thí nghiệm STEREO loại trừ giả thuyết hạt neutrino trơ

Sau nhiều năm vận hành, nhóm hợp tác STEREO xuất bản những kết quả cuối cùng của nghiên cứu phản hạt neutrino của họ. Với dữ liệu thu được, các nhà nghiên cứu loại trừ những gợi ý về sự tồn tại của các hạt neutrino trơ, một trạng thái được nhiều lý thuyết đưa thêm vào hạt neutrino.

Kết quả này, được công bố vào trên Nature ¹, có những gợi ý quan trọng với nhiều lĩnh vực của vật lý hạt cơ bản.

Trong vật lý hạt hiện đại, tất cả những hạt cơ bản và các tương tác của chúng đều được miêu tả trong Mô hình chuẩn của vật lý hạt. Mô hình này gồm các hạt neutrino, loại hạt được Wolfgang Pauli phát hiện vào năm 1930, tuân theo luật bảo toàn năng lượng phổ quát. Các hạt neutrino rất nhẹ, trung hòa về điện tích và tương tác chủ yếu qua lực điện yếu. Do đó vô cùng khó để dò chúng. Một cuộc thực nghiệm dò tìm trực tiếp chỉ có thể thực hiện kể từ năm 1956.

Ngày nay có ba dạng neutrino được biết đến. Các neutrino có thể thay đổi hương (vị) giữa ba trạng thái khác nhau của chúng. Người ta có thể nhận biết điều này dựa vào khối lượng của chúng, dù cực nhỏ nhưng khác không. Đó là dao động neutrino và nó chỉ được biết đến ở hai thập kỷ trước.

Vào năm 2011, độ chính xác của các thiết bị tham gia thí nghiệm gia tăng cho phép các nhà khoa học phát hiện ra một dị thường giữa thông lượng phản hạt neutrino phát ra từ các lò phản ứng hạt nhân được quan sát và dự đoán. Điều này kích hoạt giả thuyết về sự tồn tại của một trạng thai neutrino bổ sung có thể là trơ, không tương tác qua tương tác yếu. Hạt này có thể giải thích các hiện tượng vật lý vẫn còn chưa được hiểu một cách đầy đủ, ví dụ như vật chất tối.

Để kiểm tra giả thuyết hạt neutrino trơ và xác định các đặc tính nhập nhằng của nó, thí nghiệm STEREO được thiết kế và bắt đầu vào năm 2017 tại lò phản ứng nghiên cứu thông lượng cao ở ILL Grenoble. Một máy dò bao gồm sau nguyên tố đã được nhận biết được đặt chỉ cách lõi lò phản ứng 10 mét.

Dự án đã học hỏi được kinh nghiệm từ các thí nghiệm về hạt neutrino từ lò phản ứng nhiều năm. Việc che chắn khỏi môi trường bên ngoài, các bộ phận của máy dò được đặt ở vị trí lý tưởng để có thể tăng tính chính xác trong tìm kiếm được tín hiệu các hạt neutrino trơ: vị trí phụ thuộc vào những biến dạng trong phân bố năng lượng của chúng, vốn có thể xuất hiện ở khoảng cách ngắn với lò phản ứng.

Hiện tại, nhóm hợp tác STEREO, bao gồm các nhà nghiên cứu từ Viện Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) ở Heidelberg, Đức và Viện nghiên cứu CEA Saclay, CNRS, Pháp, ĐH Grenoble Alpes, Savoie Mont Blanc cũng như Viện Laue-Langevin (ILL) đã xuất bản những kết quả mới của họ, bao gồm toàn bộ dữ liệu: các nhà vật lý xác nhận một dị thường trong thông lượng neutrino phát ra từ các lò phản ứng hạt nhân nhưng hạt neutrino trơ không phải là nguyên nhân gây ra điều này.

“Chúng tôi đã có thể quan sát toàn bộ hơn 100.000 hạt neutrino từ năm 2017 đến 2020 nhưng không thể xác định được bất cứ hạt neutrino trơ tiềm năng nào trong các đo đạc ấy”, Christian Buck, một trong số những nhà nghiên cứu dẫn dắt thực nghiệm từ MPIK, nói. “Dường như phần lớn những dị thường quan sát được từ những bất định chưa được đánh giá đúng mức trong dữ liệu hạt nhân từ các phân rã phóng xạ thường dùng để dự đoán thông lượng hơn là thí nghiệm về các hạt neutrino”.

Trong khi kết quả này loại trừ giả thuyết hạt neutrino trơ thuyết phục, nó còn hỗ trợ cho Mô hình chuẩn và sự bao hàm hạt neutrino của nó.

Bên cạnh việc tìm kiếm các hạt neutrino trơ, thí nghiệm STEREO cũng đem lại phép đo chính xác nhất hiện nay về phổ phản hạt neutrinotừ phân hạch của uranium-235. Nó có thể sẽ hữu dụng như một phổ tham chiếu cho những thực nghiệm trên lò phản ứng với độ chính xác cao trong tương lai, như xác định sự phân cấp khối lượng hạt neutrino hoặc các kiểm tra năng lượng thấp cho Mô hình chuẩn. Thêm vào đó, các phép đo chính xác loại này có thể giúp hiểu sâu sắc hơn hiện tượng đang diễn ra trong khi một lò phản ứng hạt nhân dừng hoạt động.

Các nhà nghiên cứu tại MPIK có những đóng góp quan trọng, cả về cấu trúc của máy dò STEREO và trong phân tích dữ liệu. Ví dụ những chất lỏng vô cùng đặc biệt trong máy dò đã được phát triển, chế tạo và đặc tính hóa tại MPIK. Trong đó, chất nhấp nháy dạng lỏng chứa gadolinium là tâm điểm của máy dò là của MPIK.

Một đóng góp cốt lõi khác là các hệ làm đầy vô cùng đặc biệt và các cảm biến ánh sáng cho đo đạc tín hiệu ánh sáng sau khi phản ứng neutrino trong máy dò. Trong phân tích, nhóm MPIK cũng rất chủ động trong tái cấu trúc năng lượng, xác định tính hiệu quả và điều phối phân tích.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-01-results-stereo-sterile-neutrino-hypothesis.html

https://idw-online.de/de/news807472

—————————

1. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05568-2