Khám Phá Nguồn Gốc Bí Ẩn Của Hạt Neutrino: Đột Phá Khoa Học Mới

Gần một thế kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tìm ra nguồn gốc của những hạt neutrino mạnh mẽ. Mới đây, thành công đã đến với họ khi xác định được nguồn phát của một hạt neutrino mang năng lượng cao, mở ra nhiều hiểu biết về vũ trụ và loại hạt kỳ lạ này.

Neutrino là các hạt hạ nguyên tử cực nhẹ, gần như không có điện tích, vì vậy chúng tương tác rất hiếm với các vật chất khác. Chúng được biết đến với cái tên “hạt ma”, vì chúng có thể đi qua cơ thể con người mà không gây ra bất kỳ cảm giác nào. Thực tế, mỗi giây có hàng tỷ hạt neutrino đi qua chúng ta mà không hề hay biết.

Khi nghiên cứu neutrino, phần lớn đều xuất phát từ Mặt Trời, tuy nhiên, vẫn có một số hạt đến từ những vùng xa xôi trong vũ trụ. Đặc điểm khó nắm bắt này đã khiến cho việc xác định nguồn gốc của chúng trở thành một thử thách lớn cho giới khoa học.

Đài quan sát IceCube Neutrino đặt tại Nam Cực, cùng với nhiều đài quan sát khác, đã ghi nhận được một neutrino đến từ một thiên hà elip khổng lồ, nơi chứ một hố đen siêu khối lượng và quay rất nhanh ở trung tâm.

Không chỉ là một phát hiện đơn thuần, neutrino này còn di chuyển cùng với tia vũ trụ, là những phần tử năng lượng cao, tạo ra từ các hiện tượng mạnh mẽ trong vũ trụ. Như vậy, máy dò neutrino không chỉ xác định được một hạt mà còn tiếp nhận được các tia vũ trụ đồng thời.

Vào năm 1912, khi thiên văn học mới bắt đầu phát triển, các nhà khoa học đã lần đầu tiên phát hiện ra các tia vũ trụ, song những điều bí ẩn về tính chất của các hạt này vẫn chưa được sáng tỏ cho đến ngày nay. Francis Halzen, trưởng nhóm nghiên cứu tại IceCube, cho biết: “Chúng tôi đã tìm kiếm nguồn phát ra các tia vũ trụ này trong suốt một thế kỷ và cuối cùng đã tìm ra”.

Đồ họa mô phỏng nguồn phát phóng ra neutrino cùng lúc với tia vũ trụ. Hố đen siêu lớn ở trung tâm thu hút dòng vật chất mạnh mẽ vào không gian (Ảnh: DESY, Science Communication Lab).

Nỗ Lực Của Cộng Đồng Khoa Học

Máy dò IceCube, được chôn sâu khoảng 1,5km dưới lớp băng ở Nam Cực, đã chứng minh được vai trò quan trọng trong việc tìm ra nguồn gốc neutrino. Hệ thống này được xây dựng từ 86 dây cáp, mỗi dây có 60 module quang học cực nhạy để phát hiện ánh sáng phát ra khi neutrino tương tác với nguyên tử.

Những module này giúp thu thập ánh sáng lam từ những hạt thứ cấp phát sinh trong quá trình tương tác với hạt nhân. Lý do mà máy dò được chôn sâu là để ngăn chặn nhiễu từ các hạt không phải neutrino.

Tiến sĩ Susan Cartwright, nhà vật lý tại Đại học Sheffield, cho biết: “Để nhận được tín hiệu từ hạt neutrino, cần có một máy dò cực lớn.” Suốt một năm, máy dò chỉ phát hiện được vài trăm hạt neutrino, vì chúng rất hiếm khi xảy ra tương tác với những vật xung quanh.

Các neutrino được ghi nhận khi tương tác với môi trường càng làm tăng khả năng tìm ra nguồn gốc của chúng. Việc này được ví như việc tìm đom đóm giữa hàng triệu ánh sáng pháo hoa sáng rực rỡ.

Trước phát hiện này, IceCube đã ghi nhận nhiều neutrino từ bên ngoài Ngân Hà nhưng chưa xác định được nguồn gốc của chúng. Tuy nhiên, vào ngày 22 tháng 9 năm 2017, một hạt neutrino rất mạnh, với năng lượng khoảng 300 teraelectron volt, đã được phát hiện, gấp 50 lần năng lượng của proton trong máy gia tốc lớn nhất thế giới.

Sau đó, các nhà khoa học đã thông báo cho nhiều kính thiên văn trên khắp thế giới để hướng ống kính về vùng trời mà neutrino đến. Gần 20 kính thiên văn đã phản ứng bằng cách quét hai phổ ánh sáng từ sóng vô tuyến đến tia gamma năng lượng cao và đã phát hiện được nguồn phát của neutrino này, mang tên TXS 0506+056, nằm cách chúng ta khoảng 4 tỷ năm ánh sáng.

Các nhà nghiên cứu cũng đã phát hiện ra nhiều neutrino khác từ cùng một nguồn phát, cho thấy rằng nguồn này không chỉ duy nhất.

Albrecht Karle, một nhà khoa học tại IceCube cho biết: “Chúng ta đã có được bằng chứng thuyết phục về một nguồn phát neutrino có năng lượng cực lớn, đi kèm với các tia vũ trụ.”

Đồ họa mô phỏng IceCube, trạm quan sát neutrino chôn sâu dưới lớp băng ở Nam Cực. (Ảnh: IceCube/NSF).

Khám Phá Các Thiên Thể Trong Vũ Trụ

Nguồn phát vừa được xác định là một thiên hà siêu sáng, đang hoạt động mạnh mẽ, phát ra cả ánh sáng và hạt, hai trong số đó hướng trực tiếp về Trái Đất. Điều này lý giải tại sao chúng ta nhận được tín hiệu mạnh mẽ từ nguồn này.

Mặc dù đã xác định được hàng ngàn nguồn phát trong vũ trụ, nhưng không nguồn nào có khả năng phát ra neutrino như TXS 0506+056. Halzen nhấn mạnh: “Đây là một nguồn phát đặc biệt và chúng ta có trách nhiệm phải khám phá bí mật của nó.”

Các nhà khoa học hiện đang tìm hiểu cách nguồn phát này có thể gia tăng tốc độ phát ra neutrino và tia vũ trụ cùng lúc với năng lượng cực lớn. Halzen tỏ ra lạc quan rằng những câu hỏi này sẽ sớm có lời giải. Trong thời gian tới, nghiên cứu này có thể áp dụng thêm nhiều dạng tín hiệu khác nhau để tiếp tục khám phá vũ trụ.

Phát hiện neutrino cũng giúp mở ra nhiều điều bí ẩn khác. Gần đây, vào tháng 10 năm 2017, một nhóm nghiên cứu đã phân tích sự va chạm giữa hai sao neutron siêu nặng dựa trên các bức xạ điện từ và sóng hấp dẫn đi kèm.

France Cordova, giám đốc của Quỹ Khoa học Quốc gia, đã nhấn mạnh: “Thời đại của vật lý vũ trụ đa dạng thức đã đến. Mỗi loại tín hiệu, từ điện từ, sóng hấp dẫn đến neutrino, cho chúng ta cái nhìn toàn diện và quan trọng về vũ trụ cũng như những hiện tượng mạnh mẽ nhất trên bầu trời.”