Đi tìm “hạt ma” của trời

Trung Quốc sắp hoàn thành một cơ sở công nghệ tiên tiến để đo neutrino, các hạt hạ nguyên tử nhỏ nhất mà các nhà vật lý biết đến. Quả cầu trung tâm ngầm của cơ sở sẽ sớm được niêm phong và chứa đầy chất lỏng. Phóng viên NBC News đã tham quan trước khi điều đó xảy ra.

Đài quan sát neutrino là đài quan sát đầu tiên trong số ba đài quan sát dự kiến sẽ mở cửa trên toàn thế giới trong thập kỷ tới, trước các dự án ở Nhật Bản, Hoa Kỳ và Nga…

Tại thị trấn Khai Bình, Trung Quốc - Trong một hang động bằng đá granit sâu bên dưới những ngọn đồi có rừng ở miền nam Trung Quốc, các công nhân sẽ sớm hoàn thành một quả cầu nặng 600 tấn, có thể mở ra một số bí ẩn sâu sắc nhất của vật lý hiện đại. Quả cầu thủy tinh hữu cơ là trung tâm của Đài quan sát Neutrino Ngầm ở Giang Môn, hay JUNO, một cơ sở trị giá 300 triệu USD, được thiết kế để đo neutrino, hạt hạ nguyên tử nhỏ nhất mà các nhà vật lý biết đến.

Đôi khi chúng được gọi là các "hạt ma", neutrino vô hình và gần như không có khối lượng, và chúng di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Chúng tồn tại ở ba trạng thái khối lượng, trong đó trạng thái lớn nhất được ước tính có khối lượng bằng một phần triệu khối lượng của một electron. Hạt Neutrino có thể đi xuyên qua Trái đất và các vật chất khác mà không cần tương tác với chúng. Đây là một phần lớn lý do khiến chúng vẫn còn khó nắm bắt đối với các nhà vật lý cho đến nay. Việc hiểu chúng có thể giúp giải quyết sự mất cân bằng khó hiểu ở trung tâm của thuyết Vụ nổ lớn: Theo mô hình chuẩn của vật lý, sự kiện đó phải tạo ra lượng vật chất và phản vật chất bằng nhau. Nhưng vật chất lại dồi dào hơn nhiều và các nhà khoa học không biết lý do tại sao.

Mục tiêu của JUNO và các đài quan sát neutrino khác dự kiến sẽ đi vào hoạt động trong những năm tới là đo sự khác biệt giữa các khối lượng neutrino. Vì các hạt rất nhỏ nên rất khó để thực hiện chính xác. Do đó, JUNO được xây dựng ở độ sâu 2.300 feet (1f= 0.45 cm) dưới bề mặt Trái đất để bảo vệ các neutrino đang được nghiên cứu khỏi sự can thiệp của các tia vũ trụ.

Để đến được quả cầu của đài quan sát, du khách phải đi cáp treo chậm, di chuyển với tốc độ khoảng 4 dặm/ giờ xuống một đường hầm dài, dốc được đục vào đá granit. Trước khi hoạt động bắt đầu vào năm tới, quả cầu và khu vực ngầm xung quanh sẽ được niêm phong và đổ đầy chất lỏng - không bao giờ mở lại nữa. Phóng viên NBC News đã tham gia một trong những chuyến tham quan cuối cùng trước khi điều đó xảy ra.

Chuyến đi cáp treo xuống quả cầu của JUNO kéo dài khoảng 15 phút, với ánh sáng trắng mát mẻ tạo ra những bóng tương phản trên đá. Ở cuối đường hầm, du khách được phát mũ cứng và bộ đồ liền thân màu trắng với giày nhựa cho chân. Sau đó, mỗi người bước vào một đơn vị thổi, nơi quạt sẽ thổi một luồng không khí để làm sạch các chất ô nhiễm tiềm ẩn. Bên trong hang động nơi quả cầu nằm đó, những công nhân trèo lên lan can và dầm, mang theo đèn pin và lau sạch vết bẩn. Tiếng mũi khoan kêu rừ rừ vọng vào các bức tường.

Hàng nghìn tỷ neutrino đi qua cơ thể chúng ta mỗi giây. Mặt trời tạo ra chúng thông qua phản ứng tổng hợp; các nhà máy điện hạt nhân cũng vậy. Một số đến từ các vụ nổ siêu tân tinh trong không gian. Neutrino kết hợp với phản neutrino, mà các nhà khoa học cho rằng phản ánh hành vi của chúng. Vì vậy, JUNO được thiết kế để thu thập phản neutrino - cụ thể là phản neutrino phát ra từ hai nhà máy điện hạt nhân cách đài quan sát khoảng 33 dặm.

Vương Yifang, trưởng nhóm dự án kiêm giám đốc Viện Vật lý năng lượng cao của Trung Quốc, cho biết quả cầu của JUNO cao 13 tầng, sẽ được đổ đầy một chất lỏng đặc biệt gọi là "chất phát quang" và được ngâm trong một xi lanh nước tinh khiết. Khi phản neutrino đi vào chất lỏng, chúng sẽ kích hoạt các quá trình hóa học tạo ra một tia sáng ngắn ngủi, có thể được thu thập bởi các cảm biến lót trên quả cầu. “Sự kiện này sẽ kích hoạt một tia chớp chỉ kéo dài khoảng 5 nano giây, mà chúng tôi hy vọng sẽ chụp được bằng hàng nghìn ống nhân quang điện bao quanh quả cầu”, Wang nói, đội mũ cứng khi những công nhân phía sau anh ta lắp đặt các ống. “Chúng tôi hy vọng sẽ chụp được 60 sự kiện mỗi ngày”.

Nhờ cách tiếp cận đó, JUNO sẽ có thể đo được sự khác biệt về khối lượng của phản neutrino tốt hơn khoảng 10 lần so với các thiết bị trước đây. Đài quan sát neutrino mới đầu tiên trong số ba đài quan sát neutrino. JUNO là một phần trong những nỗ lực đầy tham vọng của Trung Quốc nhằm trở thành cường quốc khoa học toàn cầu. Trong một bài phát biểu năm 2024, Chủ tịch Trung Quốc Tập Cận Bình đã vạch ra kế hoạch biến đất nước này thành một gã khổng lồ về khoa học và công nghệ vào năm 2035. JUNO dự kiến sẽ là đài quan sát neutrino thế hệ tiếp theo đầu tiên trong số ba đài quan sát neutrino thế hệ tiếp theo sẽ mở cửa trong 10 năm tới, điều này khiến nó trở thành một mũi nhọn trong kỷ nguyên mới của vật lý.

Trước đó, các nhà khoa học Trung Quốc đang nghiên cứu phát triển một kính viễn vọng khổng lồ để quan sát hạt neutrino từ dưới hồ hoặc biển sâu. Chen Mingjun, trưởng nhóm nghiên cứu của dự án tại Viện Vật lý Năng lượng cao thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, cho biết kính viễn vọng sẽ được thiết kế với thể tích khoảng 30 km3 và lắp đặt ở độ sâu hơn 1 km so với mặt nước. Mục đích của việc xây dựng một cơ sở dưới nước này là để phát hiện các neutrino năng lượng cao.

Tại Nhật Bản, đài quan sát Hyper-Kamiokande dự kiến sẽ mở cửa vào năm 2027. Và một chương trình do Hoa Kỳ hậu thuẫn có tên là Thí nghiệm Neutrino ngầm sâu, hay DUNE, kêu gọi một máy gia tốc hạt để gửi một chùm neutrino xuống lòng đất từ bang Illinois đến Nam Dakota bắt đầu từ năm 2031.

Cả ba đài quan sát sắp tới đều có kế hoạch sử dụng các công nghệ khác nhau để phát hiện các hạt, vì vậy chúng vừa là sự bổ sung, vừa là đối thủ cạnh tranh. Mỗi đài quan sát đều liên quan đến sự hợp tác quốc tế rộng khắp được thiết kế để thúc đẩy lĩnh vực này tiến lên, tạo ra các công nghệ phụ mới và đào tạo một làn sóng các nhà khoa học mới.

Chris Marshall, Phó giáo sư vật lý tại Đại học Rochester, người đang làm việc trong dự án DUNE, cho biết: "Không có gì lạ khi chúng ta quan sát thấy điều gì đó bất ngờ khi chúng ta thực hiện các thí nghiệm này". "Cố gắng tìm ra những hiệu ứng thực sự phức tạp này... sẽ đòi hỏi phải có nhiều thí nghiệm đo lường mọi thứ theo những cách khác nhau". Ở một mức độ nào đó, khả năng trả lời các câu hỏi vật lý quan trọng của mỗi đài quan sát sẽ phụ thuộc vào mức độ các nhà nghiên cứu có thể làm việc tốt như thế nào giữa các dự án và với nhau. Nhưng một số nhà khoa học trên toàn thế giới ngày càng lo ngại rằng căng thẳng địa chính trị gia tăng giữa Hoa Kỳ và Trung Quốc - và hậu quả là mối quan hệ khoa học của họ trở nên tồi tệ - có thể cản trở sự tiến triển.

Dữ liệu thu được tại JUNO có thể góp phần giải quyết những bí ẩn quan trọng về cách thức và lý do tại sao neutrino thay đổi hình dạng nhiều hơn các hạt hạ nguyên tử khác. Neutrino có thể dao động hoặc biến đổi giữa ba cái gọi là "hương vị" khi chúng di chuyển - muon, tau và electron. Ví dụ, mặt trời gửi các neutrino electron về phía Trái đất, nhưng đôi khi chúng đến dưới dạng neutrino muon. Khi neutrino tương tác - điều này hiếm khi xảy ra - chúng sẽ dừng lại ở một hương vị cụ thể.

Ngoài ra, các nhà khoa học cho rằng neutrino di chuyển như một trong ba trạng thái khối lượng khác nhau và các trạng thái này giúp xác định khả năng neutrino tương tác như một hương vị cụ thể. Nhưng vẫn chưa rõ trạng thái nào có khối lượng lớn nhất. Các nhà khoa học cũng cho rằng neutrino và phản neutrino có thể biến đổi khác nhau khi chúng di chuyển và những khác biệt đó có thể chịu trách nhiệm cho một phần sự mất cân bằng trong vật lý giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ.

Nếu vậy, việc tìm hiểu thêm về khối lượng và dao động của neutrino và phản neutrino có thể giúp các nhà nghiên cứu hiểu được liệu mô hình chuẩn của vật lý  - sổ tay quy tắc cho các hạt và cách chúng tương tác - có còn thiếu trang hay liệu các hạt hoặc lực trước đây chưa biết có thể đang đóng một vai trò chưa được biết đến hay không.

“Lý thuyết tuyệt đẹp của chúng ta về thực tại, mô hình chuẩn, không phải là lý thuyết cuối cùng”, Sergio Bertolucci, một nhà vật lý hạt nhân người Ý và là đồng phát ngôn viên của DUNE cho biết. “Chúng tôi đã phát hiện ra rằng chúng tôi cần biết nhiều hơn về neutrino để trả lời những câu hỏi mà mô hình chuẩn không thể trả lời”. Wang muốn JUNO giành chiến thắng trong cuộc đua xác định hệ thống phân cấp khối lượng của neutrino -  trước Hoa Kỳ và các quốc gia khác. “Chúng tôi chỉ muốn trở thành những nhà khoa học giỏi. Trong khoa học, trở thành người đầu tiên là quan trọng nhất. Trở thành người thứ hai chẳng là gì cả”, ông nói.

Kế hoạch của DUNE là đo neutrino khi chúng rời khỏi một cơ sở ở Illinois, sau đó chúng sẽ di chuyển 800 dặm qua Trái đất, nơi chúng có thể tương tác và dao động. Khi chúng đến Nam Dakota và có thể được phát hiện, các nhà khoa học sẽ có thể so sánh sự pha trộn các hương vị neutrino khi bắt đầu và kết thúc hành trình của chúng. Tuy nhiên, dự án đã bị chậm trễ và vượt quá chi phí.

Pedro Ochoa-Ricoux, Giáo sư Vật lý và thiên văn học tại Đại học California, Irvine, cho biết: "Bộ dữ liệu phong phú của JUNO sẽ là một trong những bộ dữ liệu độc nhất vô nhị... đóng vai trò quan trọng trong việc giúp chúng tôi xác định thứ tự khối lượng trước năm 2030, dù là riêng lẻ hay kết hợp với các thí nghiệm khác".

Các nhà thiên văn học Mỹ sử dụng đài quan sát IceCube chôn sâu bên trong lớp băng ở Nam Cực và phát hiện 7 hạt neutrino hay còn gọi là hạt ma khi chúng bay xuyên qua Trái đất. Tín hiệu chỉ ra những hạt này là hạt neutrino, đóng vai trò như vật đưa tin quan trọng giữa các sự kiện vũ trụ năng lượng cao và Trái đất.

Kính viễn vọng neutrino kilomet khối (KM3NeT) đang được xây dựng ngoài khơi Sicily, Italy, Interesting Engineering. Các nhà khoa học xây dựng KM3NeT bên dưới mặt biển Địa Trung Hải nhằm phát hiện hạt neutrino siêu năng lượng đến từ những thiên hà xa xôi. Sau khi hoàn thành, công trình sẽ bao gồm hàng trăm nghìn máy dò hình cầu gắn vào những sợi dây và treo theo chiều dọc từ đáy biển giống như tảo biển. Đúng như tên gọi, KM3NeT sẽ chiếm thể tích một kilomet khối, tương đương 400.000 bể bơi Olympic. Kính viễn vọng này sẽ bao gồm hơn 6.000 khối cầu, mỗi khối chứa 31 máy dò độ nhạy cao, gọi là đèn nhân quang điện.