Giải Nobel Vật lý 2026 được trao cho GS. Francis Halzen (Đại học Wisconsin - Madison, Mỹ) "vì những đóng góp quan trọng cho Đài quan sát Neutrino IceCube và việc phát hiện neutrino năng lượng cao có nguồn gốc Vũ trụ". Đây là giải thưởng Nobel vật lý thứ năm cho những đóng góp liên quan đến nghiên cứu neutrino, sau khi được trao vào các năm 1988, 1995, 2002 và 2015.
Giáo sư Francis Halzen được vinh danh nhờ công lao to lớn với Đài quan sát Neutrino IceCube và việc khám phá ra các hạt neutrino năng lượng cao có nguồn gốc từ vũ trụ. Nguồn: Website của ủy ban giải thưởngNobel
Hàng nghìn năm qua, chúng ta quan sát bầu trời chủ yếu nhờ vào quan sát vị "sứ giả" ánh sáng bằng mắt thường, kính thiên văn quang học, sau đó tới sóng vô tuyến, các tia năng lượng cao như tia X và tia gamma. Từ những năm đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học bắt đầu biết đến những bức xạ vô hình từ ngoài Trái Đất, gọi tên là những tia Vũ trụ. Phần lớn những tia này là hạt proton (hạt nhân của nguyên tử Hydro) có năng lượng cao.
Cho đến nay nguồn gốc của những tia Vũ trụ có năng lượng cực kỳ lớn vẫn là điều bí ẩn mà khoa học đương đại chưa có lời giải đáp thấu đáo. Đến năm 1987, việc phát hiện ra những hạt neutrino [2] có năng lượng thấp từ vụ nổ siêu tân tinh mang đến sứ giả thiên văn thứ ba cho nhân loại. Năm 2015, sóng hấp dẫn từ các sự kiện trong Vũ trụ được ghi nhận trên Trái Đất, mang thêm vị sứ giả thứ tư.
Nhờ những nỗ lực tiên phong của nhà vật lý Francis Halzen và các cộng sự tại Đài quan sát IceCube - một khối băng Nam Cực nặng 1 tỷ tấn, giờ đây chúng ta nắm bắt thêm về sứ giả thiên văn neutrino năng lượng cao.
Neutrino - những "sứ giả" khó tìm trong Vũ trụ
Neutrino là hạt cơ bản không mang điện, có khối lượng cực nhỏ và hầu như không tương tác với vật chất. Mỗi giây, khoảng 65 tỷ neutrino từ Mặt Trời xuyên qua một móng tay của chúng ta mà không để lại dấu vết. Phần lớn chúng đi xuyên qua cả Trái Đất như thể nó không tồn tại.
Chính sự "vô hình" ấy khiến neutrino trở thành một sứ giả đặc biệt của Vũ trụ. Không bị từ trường bẻ cong hay vật chất dễ dàng hấp thụ, chúng có thể bay gần như thẳng từ nơi sinh ra đến Trái Đất, mang theo thông tin về những vùng sâu và dữ dội mà ánh sáng đôi khi không thể thoát ra.
Thiên văn neutrino bắt đầu từ thập niên 1960 khi GS. Raymond Davis Jr đã bắt được neutrino từ Mặt Trời. Năm 1987, Trạm quan sát Kamiokande do GS. Masatoshi Koshiba dẫn dắt ghi nhận một loạt neutrino từ vụ nổ siêu tân tinh trong Đám mây Magellan Lớn, thiên hà láng giềng của chúng ta. Hai giáo sư nhận Nobel Vật lý 2002. Những nghiên cứu này là với các neutrino có mức năng lượng thấp, cho chúng ta biết về Mặt Trời và các vụ nổ sao, nhưng chúng vẫn chỉ là những nguồn tương đối gần trong Vũ trụ.
IceCube, đài quan sát neutrino đặt sâu dưới lớp băng Nam Cực, đưa thiên văn neutrino lên một tầm mới: săn những neutrino năng lượng cực cao từ những vùng xa xôi và bị che khuất của vũ trụ.
Đài quan sát IceCube nằm sâu dưới lớp băng Nam Cực. Khi neutrino va chạm với vật chất trong băng, nó tạo ra những chớp sáng và được hàng nghìn cảm biến ghi lại. Nguồn ảnh: IceCube/NSF
Francis Halzen và ý tưởng "kính thiên văn dưới băng Nam Cực"
Francis Halzen sinh năm 1944 tại Tienen, Bỉ, nhận bằng tiến sĩ năm 1969 tại Đại học KU Leuven, rồi sang làm việc tại Đại học Wisconsin - Madison (Mỹ). Ban đầu ông nghiên cứu vật lý hạt. Sau này ông nhận ra vật lý hạt có thể học được rất nhiều từ thiên văn - và ngược lại, thiên văn học cũng hưởng lợi từ những hiểu biết của vật lý hạt. Việc chuyển từ vật lý lý thuyết sang vật lý thực nghiệm là một bước ngoặt quan trọng trong thành công của ông [3].
Ý tưởng về việc xây dựng kính thiên văn dưới băng Nam Cực manh nha từ những năm 1960 khi các nhà vật lý đề xuất dùng nước để bắt neutrino. Khi một neutrino hiếm hoi va chạm với hạt nhân nước, nó có thể tạo ra một hạt mang điện. Hạt này phát ra ánh sáng Cherenkov - những chớp sáng xanh có thể được các cảm biến ghi lại. Từ những chớp sáng đó, các nhà khoa học có thể suy ra hướng bay và năng lượng của neutrino.
Để ghi nhận được tín hiệu, cần một khối nước đủ lớn để tăng cơ hội neutrino va chạm, đồng thời đủ trong để ánh sáng truyền tới các cảm biến cách đó hàng trăm mét. Đây cũng là nguyên lý đằng sau máy dò Super-Kamiokande, với 50.000 tấn nước tinh khiết nằm sâu dưới một ngọn núi ở Nhật Bản.
Tuy nhiên 50.000 tấn là chưa đủ để phát hiện các neutrino năng lượng cao. Những năm 1980, Halzen nghe tin các nhà khoa học Liên Xô định dùng ăn-ten vô tuyến ở Nam Cực để bắt "tia lửa điện" do neutrino va vào băng. Ông nghĩ ra một phương án khác: thả cảm biến ánh sáng vào băng và bắt các chớp sáng. Ông bàn với đồng nghiệp John G. Learned, người đang làm dự án DUMAND bắt neutrino trong nước biển sâu ngoài khơi Hawaii. Năm 1988, tại một hội nghị ở Ba Lan, hai ông lần đầu trình bày ý tưởng đài quan sát neutrino trong băng tại Nam Cực.
Câu chuyện có thể đã dừng ở đó, vì cả hai ban đầu chỉ làm lý thuyết. Nhưng ý tưởng gây hứng thú đến mức chỉ vài năm sau, các nhà nghiên cứu từ nhiều nơi đã tập hợp quanh Halzen để biến nó thành hiện thực. Ông cũng thừa nhận một chút "may mắn nhờ không biết" tới hạn chế của các phép đo trong phòng thí nghiệm khi đó cho thấy ánh sáng chỉ đi được khoảng 8 m trong băng không bọt khí trong phòng thí nghiệm - quá ngắn để làm một kính thiên văn. Trong khi IceCube cần ánh sáng truyền được rất xa trong băng để các cảm biến đặt cách nhau hàng chục đến hàng trăm mét vẫn có thể nhìn thấy chớp sáng do neutrino tạo ra.
Sợi cáp mang theo cảm biến xuyên qua các lớp băng tại Nam Cực. Nguồn ảnh: IceCube/NSF
"May mà tôi không biết điều đó", ông nói. Nếu biết, có lẽ ông đã bỏ cuộc trước khi khám phá ra băng Nam Cực thật sự trong đến mức nào. Độ trong thực sự của băng ở Nam Cực có thể cho phép nhìn thấu từ 100m đến 200m, cao hơn so với nước tinh khiết ở thí nghiệm Super-kamiokande sau khi qua hệ thống lọc tinh vi (khoảng 80m). Cũng phải nói thêm rằng các nhà băng học đã không tin những gì mà Halzen và các đồng nghiệp đã tìm thấy ở băng Nam Cực.
Vì sao lại là Nam Cực? Halzen trả lời rất thật: "Đơn giản vì Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ đã có trạm ở đó." Tự xây hạ tầng riêng sẽ quá đắt; về sau, chính IceCube lại là một trong những lý do để trạm này được xây mới.
Đài quan sát là một khối băng diện tích 1 km²
Cực Nam hóa ra là nơi lý tưởng để làm kính thiên văn neutrino. Ở đó đã có sẵn trạm nghiên cứu và hậu cần. Ở độ sâu đủ lớn, băng tối đen vĩnh viễn; khác với đại dương, không có sinh vật phát sáng gây nhiễu, chất phóng xạ rất ít, nền băng vững chắc và không có động đất. Bất lợi duy nhất ở Nam Cực là mọi việc thi công chỉ làm được trong mùa hè ngắn ngủi từ tháng 11 đến tháng 2 năm sau.
Các nhà băng hà học chỉ cho nhóm cách khoan những giếng sâu hàng cây số bằng một loại "vòi sen" phun nước nóng làm tan băng. Một sợi cáp dài gắn các cảm biến ánh sáng được thả xuống giếng trước khi nước đông lại. Các cảm biến này là "bóng đèn hoạt động theo chu trình ngược", tức thu ánh sáng và biến nó thành tín hiệu điện.
Năm 1992, những cảm biến đầu tiên được thả vào băng cực Nam, khởi đầu thí nghiệm tiền thân AMANDA. Halzen kể ông ngồi ở bàn ăn đêm Giáng sinh 1993, máy tính trên đùi, chờ tin sợi cáp đầu tiên đã được lắp đặt. Những kết quả ban đầu thật thất vọng: lớp băng phía trên đầy bọt khí làm ánh sáng tán xạ. May mắn là dưới độ sâu 1.400 m, băng cực kỳ tinh khiết, ánh sáng đi được tới 300 m, xa hơn mọi dự đoán.
Kích thước của Trạm quan sát IceCube so với tháp Eiffel. Nguồn ảnh: IceCube
AMANDA, tiền thân của IceCube, hoàn thành vào tháng 1/2000 và hoạt động đúng thiết kế, nhưng chưa đủ lớn để bắt neutrino năng lượng cao từ vũ trụ. IceCube đạt kích thước theo thiết kế vào năm 2011: một khối băng diện tích 1 km² ở độ sâu 1.450–2.450 m, với 5.160 cảm biến trên 86 sợi cáp. Mỗi cảm biến nằm trong một quả cầu thủy tinh đường kính 35 cm, kèm mạch điện tử xử lý tín hiệu; dữ liệu được gửi qua vệ tinh rồi truyền về các trung tâm phân tích của thí nghiệm
Suốt chặng đường đó, Halzen là trưởng nhóm nghiên cứu đầy nhiệt huyết, đưa dự án từ ý tưởng đến kết quả khoa học.
Tìm neutrino vũ trụ giống như nghe tiếng rơi nghiêng của một chiếc lá giữa chợ Tết ngàn vạn tiếng ồn. Mỗi ngày, IceCube ghi nhận hơn 100 triệu hạt sinh ra khi tia vũ trụ đập vào bầu khí quyển phía trên Nam Cực xuyên xuống tới cảm biến và cả những neutrino "khí quyển" xuyên qua cả Trái Đất từ Bắc bán cầu. Làm sao để biết những neutrino đó không phải là từ khí quyển của Trái Đất mà là từ nơi nào đó trong Vũ Trụ?
Hai manh mối quan trọng là năng lượng và hướng bay. Neutrino càng có năng lượng cao càng khó sinh ra từ những quá trình thông thường quanh Trái Đất. Và nếu nhiều neutrino năng lượng cao cùng bay đến từ một vùng nhỏ trên bầu trời, rất có thể chúng có chung một nguồn ở xa trong Vũ trụ.
Năng lượng của hai trong số những ghi nhận sự kiện neutrino Vũ trụ (được đặt tên là "Bert" và "Ernie"), lớn gấp khoảng 150 lần năng lượng proton được gia tốc với máy gia tốc LHC - cỗ máy mạnh nhất do con người chế tạo. Không phòng thí nghiệm nào trên Trái Đất tạo ra được chúng; chỉ những "cỗ máy gia tốc tự nhiên" trong Vũ trụ mới làm được.
Trong công bố ban đầu, kính thiên văn IceCube đã phát hiện hai neutrino có năng lượng khoảng 1 PeV được đặt biệt danh "Bert" và "Ernie", sau đó phát hiện thêm "Big Bird".
Dưới dây là một số cột mốc quan trọng trong khám phá neutrino năng lượng cao từ Vũ Trụ của IceCube [4]:
- Năm 2012: Phát hiện hai neutrino có năng lượng khoảng 1 PeV (một triệu tỷ electron-volt), được đặt biệt danh "Bert" và "Ernie".
- Năm 2013: Công bố bằng chứng đầu tiên về neutrino năng lượng cao có nguồn gốc vũ trụ; vài năm sau, dữ liệu đủ nhiều để khẳng định chắc chắn.
- Năm 2017–2018: Neutrino IceCube-170922A trùng hướng với blazar TXS 0506+056 - một lỗ đen siêu khối lượng đang phóng tia, cách khoảng 4 tỷ năm ánh sáng - đúng lúc nó bùng sáng tia gamma.
- Năm 2022: Thấy 79 neutrino dường như đến từ hướng thiên hà hoạt động NGC 1068 (M77), cách 47 triệu năm ánh sáng.
- Năm 2023: Lần đầu tiên đo "bản đồ" phát xạ neutrino năng lượng cao đến từ chính Dải Ngân Hà của chúng ta.
Một "giác quan" mới cho nhân loại
Khám phá này quan trọng vì ba lý do chính:
1. Manh mối cho bí ẩn hơn 100 năm về tia vũ trụ. Từ đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học biết Trái Đất liên tục bị bắn phá bởi những tia Vũ trụ có năng lượng cực lớn, nhưng không biết chúng đến từ đâu. Phần lớn là proton mang điện nên bị từ trường Vũ trụ bẻ cong, khiến chúng không thể chỉ đường về nguồn. Neutrino thì không mang điện, bay gần như thẳng từ nơi sinh ra. Vì vậy, lần theo neutrino có thể giúp tìm ra những "nhà máy" tạo ra các tia Vũ trụ mạnh nhất, có thể là những vụ nổ sao hay những thiên hà hoạt động xa xôi.
2. Nhìn vào những nơi ánh sáng không lọt ra. "Sứ giả" ánh sáng từ các vật thể xa xôi có thể bị mây khí và bụi trong Vũ trụ che khuất trên đường đến Trái Đất. Còn "sứ giả" neutrino thì gần như xuyên qua tất cả mà không bị cản trở. Vì vậy, neutrino có thể mang đến cho chúng ta thông tin từ những vùng Vũ trụ mà ánh sáng không thể thoát ra hoặc không thể truyền đến chúng ta.
3. Kỷ nguyên thiên văn "nhiều sứ giả". Vũ trụ gửi đến ta các sứ giả: ánh sáng, tia vũ trụ, sóng hấp dẫn, và neutrino. Mỗi loại sứ giả mang đến một phần câu chuyện của sự kiện diễn ra đâu đó trong Vũ trụ sâu thẳm, dệt nên bức tranh hoàn chỉnh hơn cho những sự kiện thiên văn. Năm 2017, khi IceCube bắt được một neutrino, nó tự động gửi cảnh báo trong vòng chưa đầy một phút, và hàng chục đài quan sát trên khắp thế giới quay về cùng một hướng trời. Giống như bác sĩ kết hợp X-quang, siêu âm và xét nghiệm máu, các nhà thiên văn giờ đây ghép nhiều "phép đo" để hiểu trọn một hiện tượng lý thú trong Vũ trụ.
Bản đồ các kính thiên văn trên Trái Đất. Nguồn ảnh: Cerncourier
Chặng đường phía trước
Sau thành công của IceCube, thiên văn neutrino đang phát triển sôi động nhiều nơi trên thế giới. Tại Việt Nam, vật lý neutrino không xa lạ. Chúng ta đã có các nhóm nghiên cứu neutrino thực nghiệm từ khoảng 10 năm trước, tham gia các thí nghiệm quốc tế lớn đặt tại Nhật Bản. Các hội nghị neutrino và lớp học neutrino diễn ra hàng năm. Ngay bên cạnh chúng ta những kính thiên văn neutrino thế hệ mới đang được phát triển ngay tại Biển Đông. Đó có thể là cơ hội tốt cho khoa học Việt nam hướng lên bầu trời từ những kính thiên văn chôn sâu dưới lòng đất, hay dưới đáy biển.
Giải Nobel năm nay vinh danh một người, nhưng cũng ghi nhận hơn ba thập kỷ công sức của hàng trăm nhà khoa học, kỹ sư và nghiên cứu sinh từng làm việc ở nơi lạnh giá nhất hành tinh. Nó nhắc chúng ta rằng những câu hỏi lớn nhất về vũ trụ được giải đáp nhờ sự kiên nhẫn, sáng tạo và hợp tác quốc tế - và đôi khi, bằng cách nhìn vào nơi không ai nghĩ tới: một khối băng tĩnh lặng ở tận cùng thế giới.
Nguồn tham khảo:
[1] Press release, The Nobel Prize (2026)
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2026/press-release/
[2] Tia Sáng, (2026), Lắng nghe khúc thụy du của những ngôi sao đã băng hà, https://tiasang.com.vn/lang-nghe-khuc-thuy-du-cua-nhung-ngoi-sao-da-bang-ha-5090323.html
[3] Space, (2018), 'Godfather of IceCube' Talks Hunting Neutrinos, https://www.space.com/41151-godfather-of-icecube-hunting-neutrinos-interview.html
[4] IceCube Collaboration, Science 342, 1242856 (2013); Science 361, eaat1378 (2018) ; Science 378, 6619, 538-543 (2022) ; Science 380, 6652, 1338-1343 (2023).