Thiết bị dò tìm thấy gợi ý đầu tiên về các hạt từ siêu tân tinh
Đài quan sát Super-Kamiokande của Nhật Bản có thể đã thấy bằng chứng về các hạt neutrino từ các siêu tân tinh trong suốt lịch sử vũ trụ.
Ở từng giây đầu tiên, nơi nào đó trong vũ trụ quan sát được này, một ngôi sao khổng lồ suy sụp và tạo ra một vụ nổ siêu tân tinh 1. Đài quan sát Super-Kamiokande Nhật Bản giờ có thể thu thập được một dòng bền vững các hạt neutrino từ những tai biến vũ trụ đó 2, các nhà vật lý cho biết – một lượng lớn từ một số máy dò trong một năm.
Các hạt hạ nguyên tử bé nhỏ này là trung tâm hiểu biết về những gì diễn ra bên trong một siêu tân tinh, một vụ nổ sao rất lớn và siêu sáng: bởi vì chúng thoát ra khỏi sự suy sụp lõi của một ngôi sao và trong khắp vũ trụ, chúng có thể cung cấp thông tin về thứ vật lý tiềm năng xuất hiện trong những điều kiện cực đoan.
Trong hội nghị Neutrino 2024 vào cuối tháng trước ở Milan, Italy, Masayuki Harada, một nhà vật lý của trường Tokyo, tiết lộ những gợi ý đầu tiên của các hạt neutrino từ siêu tân tinh dường như xuất hiện từ đống lộn xộn các hạt mà máy dò Super-Kamiokande thu thập được mỗi ngày từ nhiều nguồn khác nhau, như tia vũ trụ đâm xuyên qua bầu khí quyển và phản ứng hợp hạch hạt nhân trong lõi mặt trời 3. Kết quả này ‘chỉ dấu là chúng ta đang bắt đầu quan sát một tín hiệu”, theo Masayuki Nakahata, một nhà vật lý ở trường đại học Tokyo và là người phát ngôn của thực nghiệm Super-K. Nhưng Nakahata cũng cảnh báo là dữ liệu hỗ trợ – được thu thập qua 956 ngày quan sát – vẫn còn rất yếu.
Các hạt khó nắm bắt
Vô cùng khó để “bẫy” được các hạt neutrino. “Nếu đó là một siêu tân tinh, một ngôi sao tự suy sụp thành một lỗ đen chẳng hạn”, TS. Yoshi Uchida của Imperial College London nói. “Nếu điều đó xảy ra trong thiên hà của chúng ra thì những thiết bị như Super-K có thể thấy được các hạt neutrino từ đó”.
Trước khi một ngôi sao bắt đầu suy sụp, nó bắn ra các hạt neutrino, vì vậy Super-K đóng vai trò như một dạng hệ cảnh báo sớm, nói với chúng ta khi nào cần nhìn vào các sự kiện vũ trụ chói sáng đó.
Tuy nhiên, phần lớn hạt neutrino di chuyển xuyên qua hành tinh giống như ánh sáng chiếu qua thủy tinh, và Super-K chỉ bắt được một lượng vô cùng nhỏ những hạt này khi xuyên qua chúng. Ngay cả thế thì máy dò cũng có một cơ hội rất nhỏ để túm được các hạt neutrino từ siêu tân tinh, bởi vì vũ trụ phát ra vô số các hạt (ước tính khoảng 1058), tạo ra cái mà các nhà vật lý thiên văn gọi là nền neutrino siêu tân tinh khuếch tán.
Nhưng ngay cả như thế thì không có ai có đủ năng lực dò được cái nền này. Chỉ có một lần các nhà khoa học dò lại được các hạt neutrino từ một vụ suy sụp sao – Nakahata là một trong số các nhà khoa học điểm trúng hạt này khi sử dụng máy dò Kamiokande-II, một tiền bối của Super-K, vào năm 1987. Máy dò này có thể đạt được thành công bởi siêu tân tinh xuất hiện ở Large Magellanic Cloud, một thiên hà lùn trắng đủ gần để các hạt neutrino từ vụ phát nổ sao chạm đến trái đất với một lượng lớn.
Trong năm 2018–20, máy dò Super-K, một thùng chứa 50.000 tấn nước tinh khiết đặt cách mặt đất một km gần Hida ở trung tâm đảo Honshu, dù đơn gian nhưng được nâng cấp để gia tăng năng lực phân biệt được neutrino siêu tân tinh với các hạt khác.
Khi một hạt neutrino – hoặc chính xác hơn, các phản hạt của nó, một hạt phản neutrino – va chạm với một proton trong nước, mà proton có thể chuyển thành một cặp hạt khác, một neutron và một phản electron. Hạt phản electron tạo ra một vệt lóe lên của ánh sáng khi di chuyển ở tốc độ cao trong nước, và ánh sáng được các cảm biến gắn thành hàng ở vách thùng bắt được. Có thể không phân biệt được vệt sáng từ những hạt neutrino hoặc phản neutrino từ những nguồn khác.
Nhưng suốt quá trình nâng cấp, các nhà khoa học đưa thêm vào muối chứa gadolinium vào nước Super-K. Điều này cho phép các hạt nhân gadolinium nắm bắt được neutron được tạo ra khi một phản neutrino tiếp xúc với nước và tạo ra một vệt sáng năng lượng thứ hai có thể nhận biết được. Các nhà vật lý Super-K trong khi đi tìm các hạt neutrino từ siêu tân tinh đã nhìn vào chuỗi hai vệt sáng nhanh đó, một được tạo ra bởi các phản electron và một do neutron được bắt giữ.
Giải quyết những bí ấn vũ trụ
Sẽ còn mất nhiều năm cho các tín hiệu siêu tân tinh khổng lồ xuất hiện một cách rõ ràng, Nakahata nói, bởi vì các tín hiệu sáng đôi có thể đến từ những nguồn neutrino khác, bao gồm những hạt được tạo ra từ các tia vũ trụ va chạm với khí quyển. Nhưng Super-K được lên kế hoạch dừng hoạt động vào năm 2029, anh nói thêm, nó có thể thu thập đủ dữ liệu để tạo ra một tuyên bố chắc chắn.
Và một thực nghiệm lớn hơn mang tên Hyper-Kamiokande được lên kế hoạch hoàn thành vào năm 2027 có thể giúp cải thiện rất nhiều các kết quả của Super-K 4. Ban đầu, Hyper-K sẽ được rót vào nước tinh khiết, nhưng “tất cả các hợp phần của máy dò đều được thử nghiệm để tương thích với gadolinium”, vốn có thể được bổ sung vào thời gian sau đó, theo Francesca Di Lodovico, một nhà vật lý tại King’s College London và đồng phát ngôn của dự án.
Việc chứng minh các hạt neutrino từ những siêu tân tinh xa xôi tồn tại từ hàng tỉ năm trước vẫn còn tồn tại có thể giúp xác nhận các hạt neutrino đều là những hạt bền và không phân rã thành các hạt khác, Nakahata nói. Đây là những thứ mà các nhà vật lý từng nghi ngờ đã lâu nhưng chưa thể chứng minh một cách thuyết phục.
Việc đo lường cả phổ mức năng lượng neutrino từ siêu tân tinh có thể cung cấp manh mối về cách nhiều siêu tân tinh diễn ra ở những giai đoạn khác nhau trong lịch sử vũ trụ, Harada nói. Thêm vào đó, nó có thể tiết lộ nhiều vụ suy sụp sao thành lỗ đen – vốn có thể phát các neutrino – trái ngược với khi hình thành một sao neutron.
Dữ liệu từ Super-K vẫn chưa đủ để đưa ra một tuyên bố về một khám phá nhưng triển vọng dò được sự khuếch tán neutrino “vô cùng kích thích”, theo Ignacio Taboada, một nhà vật lý tại Viện Công nghệ Georgia ở Atlanta và người phát ngôn của đài quan sát IceCube tại Nam Cực 5. “Neutrino có thể cung cấp một đo lường độc lập về lịch sử của sự hình thành sao trong vũ trụ này”.
Anh Vũ tổng hợp
Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-024-02221-y
——————————————
1.https://www.nature.com/articles/d41586-022-00425-8
2.https://www.nature.com/articles/d41586-019-00598-9
3.https://agenda.infn.it/event/37867/contributions/233922/attachments/122065/178295/20240620_v9.pdf
4.https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/detail/812
