Khám Phá Nguồn Gốc Bí Ẩn Của Hạt Neutrino: Một Cuộc Cách Mạng Khoa Học

Trong một bước tiến quan trọng của khoa học, các nhà nghiên cứu đã lần đầu tiên xác định được nguồn phát của những hạt neutrino năng lượng cao, mở ra những hiểu biết mới về dạng vật chất bí ẩn đã tồn tại hàng thế kỷ này.

Neutrino là các hạt nguyên tử cực kỳ nhỏ, gần như không có điện tích, dẫn đến khả năng tương tác với các vật chất khác rất thấp. Thực tế, chúng được gọi là “hạt ma” vì hàng tỷ hạt này đi qua cơ thể con người mỗi giây mà hầu như ta không nhận thấy.

Khi nhắc đến nguồn gốc của các hạt neutrino, phần lớn chúng đến từ Mặt Trời, nhưng có một lượng nhỏ lại xuất phát từ những vùng xa xôi trong vũ trụ. Đặc điểm này khiến việc tìm kiếm nguồn gốc trở nên vô cùng khó khăn cho các nhà khoa học.

Đài quan sát IceCube Neutrino ở Nam Cực, cùng với các trạm quan sát toàn cầu khác, đã theo dõi một neutrino đến từ một thiên hà elip khổng lồ với một hố đen siêu lớn nằm ở trung tâm, quay nhanh chóng.

Hơn nữa, những neutrino này đi kèm với các tia vũ trụ, chúng tạo thành từ các hạt mang năng lượng cao va chạm với bầu khí quyển của Trái Đất. Như vậy, không chỉ một neutrino được phát hiện, mà cả những tia vũ trụ cũng được ghi nhận.

Vào năm 1912, hiện tượng tia vũ trụ lần đầu tiên được phát hiện nhưng vẫn là một bí ẩn lớn cho đến nay, do thiếu thông tin rõ ràng về tính chất của chúng.

“Chúng tôi đã dành một thế kỷ để tìm kiếm nguồn gốc của các tia vũ trụ và cuối cùng đã thành công”, Francis Halzen, nhà khoa học dẫn đầu dự án tại Đài quan sát IceCube Neutrino, chia sẻ.

Hình ảnh mô phỏng về nguồn phát neutrino và tia vũ trụ, thể hiện sự liên kết giữa chúng. Hố đen siêu lớn trong thiên hà đóng vai trò quan trọng trong quá trình này. (Ảnh: DESY, Science Communication Lab).

Đột Phá Từ Nỗ Lực Tập Hợp Toàn Cầu

Câu chuyện bắt đầu từ IceCube, một thiết bị dò hạt quang học cực nhạy, đóng sâu dưới khoảng 1,5 km băng tuyết ở Nam Cực. Hệ thống này được cấu thành từ 86 dây cáp, mỗi dây cáp chứa 60 module quang học tối tân có khả năng phát hiện ánh sáng.

Máy dò được thiết kế để thu nhận ánh sáng lam được tạo ra khi neutrino tương tác với các hạt nhân nguyên tử. Để giảm thiểu tạp nhiễu từ các hạt khác, thiết bị này được chôn sâu dưới băng.

“Để nắm bắt tín hiệu từ một tương tác cực nhỏ của hạt neutrino, các nhà khoa học phải phát triển một thiết bị cực kỳ lớn,” tiến sĩ Susan Cartwright, nhà vật lý tại Đại học Sheffield, cho biết. Mỗi năm, IceCube chỉ ghi nhận được một số lượng nhỏ hạt neutrino, nhưng điều này là rất khó khăn.

Việc đo được các neutrino khi chúng tương tác với môi trường xung quanh là một bước đột phá quan trọng, giúp xác định nguồn gốc của chúng một cách hiệu quả. Các nhà nghiên cứu ví việc này giống như tìm một con đom đóm giữa màn đêm rực rỡ pháo hoa.

Trước khi phát hiện này, IceCube đã ghi nhận nhiều neutrino từ bên ngoài Ngân Hà mà không xác định được nguồn gốc của chúng. Tuy nhiên, vào ngày 22 tháng 9 năm 2017, một neutrino xa xôi đã được phát hiện tại thiết bị, với năng lượng đạt khoảng 300 teraelectron volt, tương đương gấp 50 lần năng lượng của proton khi đi qua máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới.

Ngay sau khi phát hiện, thiết bị gửi thông báo đến các nhà thiên văn toàn cầu để hướng kính quan sát đến vùng trời nơi hạt neutrino xuất hiện, nhằm tìm kiếm nguyên nhân của nó.

Gần 20 kính thiên văn trên mặt đất và trong không gian đã quét vùng đó với các dải sóng khác nhau, từ sóng vô tuyến đến tia gamma. Kết quả cho thấy nguồn gốc của neutrino này là TXS 0506+056, cách Trái Đất khoảng 4 tỷ năm ánh sáng.

Nhóm nghiên cứu ở IceCube cũng phát hiện nhiều neutrino khác từng quan sát được vào cuối năm 2014 và đầu năm 2015 có cùng nguồn gốc.

“Kết hợp các quan sát từ nhiều nguồn khác nhau, chúng tôi đã xác nhận được nguồn phát neutrino mạnh mẽ, đi kèm với tia vũ trụ năng lượng cao,” Albrecht Karle, nhà khoa học của IceCube, nói thêm.

Đồ họa mô phỏng của IceCube, thiết bị quan sát các neutrino nằm dưới 1,5 km băng ở Nam Cực. (Ảnh: IceCube/NSF).

Khám Phá Sự Đa Dạng Của Vũ Trụ

Nguồn phát mới được phát hiện là một thiên hà siêu sáng đặc biệt, hoạt động mạnh mẽ và phát ra cả ánh sáng lẫn hạt. Một trong hai thứ này đang nhắm tới Trái Đất, giải thích tại sao tín hiệu từ chúng mạnh mẽ đến vậy.

Các nhà thiên văn đã xác định được hàng ngàn nguồn phát như vậy trong vũ trụ, nhưng không nguồn phát nào giống như TXS 0506+056 lại phát ra neutrino. “Đây thực sự là một nguồn phát đặc biệt, và chúng ta có trách nhiệm khám phá bí mật của nó,” Halzen nhấn mạnh.

Các nhà khoa học không chỉ muốn biết nguồn phát này đến từ đâu mà còn muốn tìm hiểu về cơ chế của nó, cụ thể là cách thức mà nguyên nhân này có thể phát ra cả neutrino và tia vũ trụ cùng lúc với tốc độ kinh khủng.

Halzen lạc quan về việc sẽ tìm ra câu trả lời cho những câu hỏi này trong tương lai. Trong thời gian tới, các tín hiệu khác nhau sẽ được sử dụng để tiếp cận và khám phá vũ trụ, giống như nghiên cứu này.

Khám phá neutrino cũng gửi đến những câu hỏi tiếp theo mà các nhà khoa học đang theo dõi. Vào tháng 10 năm 2017, một nhóm nghiên cứu đã phân tích va chạm giữa hai sao neutron siêu nặng thông qua quan sát bức xạ điện từ và sóng hấp dẫn.

“Chúng ta đang bước vào kỷ nguyên của vật lý vũ trụ đa dạng thức. Mỗi dạng thức, từ bức xạ điện từ đến sóng hấp dẫn và giờ là neutrino, đều mang lại cho chúng ta những hiểu biết sâu sắc hơn về vũ trụ và những hiện tượng mạnh nhất trên bầu trời,” France Cordova, giám đốc Quỹ Khoa học Quốc gia, cho biết.