Khám Phá Nguồn Gốc Bí Ẩn Của Neutrino Sau Một Thế Kỷ Tìm Kiếm

Cuối cùng, các nhà khoa học đã hoàn thành một trong những cuộc hành trình dài nhất trong lịch sử khoa học, việc xác định nguồn phát của những hạt neutrino mang năng lượng cao. Phát hiện này không chỉ mở ra cánh cửa mới cho việc nghiên cứu các hạt hạ nguyên tử mà còn giúp chúng ta hiểu rõ hơn về những bí ẩn của vũ trụ.

Neutrino được biết đến như những hạt hạ nguyên tử có điện tích gần như bằng không, chúng di chuyển qua mọi thứ mà không hề tương tác. Chính vì lý do này, chúng thường được gọi là “hạt ma”, có hàng tỉ hạt đi qua cơ thể mỗi ngày mà chúng ta hoàn toàn không nhận biết được.

Các hạt neutrino chủ yếu đến từ Mặt Trời, tuy nhiên, một tỷ lệ nhỏ trong số đó lại xuất phát từ những khu vực xa xôi nhất của vũ trụ. Đặc tính khó nắm bắt của chúng đã khiến việc xác định nguồn gốc của các hạt này trở thành một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu trong suốt hơn một thế kỷ.

Đài quan sát IceCube Neutrino ở Nam Cực đã trở thành điểm tiên phong trong việc theo dõi một neutrino có nguồn gốc từ một thiên hà elip khổng lồ, nơi có một hố đen siêu lớn đang quay với tốc độ chóng mặt tại tâm điểm. Phát hiện này không chỉ lật ngược những hiểu biết cũ mà còn mở ra những hướng đi mới trong nghiên cứu về hạt neutrino.

Bên cạnh đó, các neutrino vũ trụ thường được phát hiện cùng với tia vũ trụ, những tia hạt năng lượng cao đang đổ xuống Trái Đất. Sự kết hợp này cho phép các máy dò không chỉ thu nhận neutrino mà còn cả các tia vũ trụ siêu tốc.

Vào năm 1912, khi các tia vũ trụ đầu tiên được phát hiện, chúng đã gây ra nhiều câu hỏi cho giới thiên văn. Từ đó, việc nghiên cứu về chúng trở thành một bí ẩn lớn chưa có lời giải đáp cho đến nay.

“Chúng tôi đã tìm kiếm nguồn phát ra các tia vũ trụ này trong suốt một thế kỷ và cuối cùng đã tìm ra”, chia sẻ của Francis Halzen, nhà khoa học đứng đầu nghiên cứu này tại Đài quan sát IceCube và giáo sư vật lý tại Đại học Wisconsin-Madison.

Đồ họa mô phỏng về nguồn phát vừa phóng ra neutrino đồng thời với tia vũ trụ với tốc độ nhanh khủng khiếp. Lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của đĩa bồi đắp thiên hà sẽ phóng ra dòng vật chất mạnh mẽ vào không gian và vuông góc với đĩa thiên hà. (Ảnh: DESY, Science Communication Lab).

Cộng Đồng Khoa Học Hợp Tác Nghiên Cứu

Khi nghiên cứu bắt đầu, IceCube đã được xây dựng dưới lớp băng dày khoảng 1,5 kilomet ở Nam Cực, với độ nhạy cao để phát hiện hạt neutrino. Hệ thống này bao gồm 86 dây cáp, mỗi dây có 60 module quang học nhạy cảm, giúp phát hiện ánh sáng hạt phát ra khi neutrino tương tác với các hạt khác.

Bằng cách chôn máy dò sâu dưới lớp băng, các nhà nghiên cứu đã giảm thiểu thảm họa từ những hạt không phải neutrino có thể làm ảnh hưởng đến kết quả. “Để nhận được tín hiệu từ một lực tương tác vô cùng nhỏ của neutrino, các nhà vật lý đã phải xây dựng một máy dò cực kỳ lớn”, theo lời tiến sĩ Susan Cartwright, nhà vật lý hạt từ Đại học Sheffield. Họ đã mất một năm để thu về vài trăm hạt neutrino, nhưng việc này không hề dễ dàng.

Việc ghi nhận tín hiệu từ neutrino thể hiện một nỗ lực to lớn trong việc xác định nguồn gốc của chúng. Thực sự, công việc này được ví như việc tìm một đom đóm trong đêm pháo hoa rực rỡ.

Trước phát hiện này, IceCube có thể bắt được các neutrino từ bên ngoài Ngân Hà, nhưng không thể xác định được nguồn gốc chúng. Ngày 22 tháng 9 năm 2017, một neutrino đã bị phát hiện mang năng lượng cực cao, khoảng 300 teraelectron volt, gấp 50 lần so với năng lượng của proton từ máy gia tốc lớn nhất thế giới.

Trong vòng một phút sau khi phát hiện, máy dò đã gửi thông báo cho các nhà thiên văn trên toàn thế giới để tìm kiếm nguồn gốc hạt neutrino. Gần 20 kính thiên văn đã quét vùng trời đó bằng nhiều phương pháp khác nhau, từ sóng điện từ thấp đến tia gamma cao năng lượng, cho ra kết quả là nguồn gốc của neutrino bí ẩn được chỉ rõ là TXS 0506+056, cách Trái Đất khoảng 4 tỷ năm ánh sáng.

Nhóm nghiên cứu còn phát hiện ra các neutrino vũ trụ khác được quan sát vào năm 2014 và 2015 cũng xuất phát từ thiên hà này.

“Nhờ kết hợp tất cả các quan sát từ các đài quan sát trên mặt đất và không gian, chúng ta đã có bằng chứng thuyết phục về một nguồn phát neutrino mạnh mẽ, kèm theo các tia vũ trụ năng lượng cao”, chia sẻ của Albrecht Karle, nhà khoa học tại IceCube và giáo sư vật lý tại Đại học UW-Madison.

Đồ họa mô phỏng được vẽ lại dựa trên hình ảnh thật của IceCube, trạm quan sát các neutrino đặt bên dưới 1,5km của các lớp băng dày tại Nam Cực. (Ảnh: IceCube/NSF).

Thế Giới Vũ Trụ Đầy Đặc Sắc

Phát hiện này đến từ một thiên hà siêu sáng đang hoạt động, phóng ra ánh sáng cùng với các hạt, một trong hai thứ nhắm trực tiếp vào Trái Đất. Các nhà thiên văn đã xác định hàng ngàn nguồn phát trong vũ trụ, nhưng không nguồn nào như TXS 0506+056 lại phát ra neutrino.

“Đây thực sự là một nguồn phát đặc biệt và chúng ta có trách nhiệm tìm hiểu bí mật của nó”, Halzen cho biết thêm. Các nhà khoa học đang nỗ lực để hiểu cơ chế mà thiên hà này sử dụng để phóng thích neutrino và tia vũ trụ cùng lúc với một năng lượng khủng khiếp.

Halzen tỏ ra lạc quan về việc chúng ta sẽ tìm ra câu trả lời cho các câu hỏi này trong thời gian tới. Tương lai sẽ chứng kiến việc áp dụng nhiều loại tín hiệu khác nhau để khám phá vũ trụ, như cách mà chúng ta đã thực hiện trong nghiên cứu lần này.

Các phát hiện về neutrino mở ra những nghiên cứu sâu hơn về các hiện tượng vũ trụ. Vào tháng 10 năm 2017, các nhà nghiên cứu đã phân tích va chạm giữa hai sao neutron siêu nặng qua việc quan sát bức xạ điện từ và sóng hấp dẫn, mở thêm một hướng đi mới trong nghiên cứu thiên văn.

“Thời đại của vật lý vũ trụ đa dạng thức đã đến. Mỗi dạng thức từ bức xạ điện từ đến sóng hấp dẫn và hiện nay là neutrino, đều cung cấp cho chúng ta những hiểu biết sâu sắc hơn về vũ trụ và những hiện tượng mạnh mẽ nhất diễn ra trên bầu trời,” chia sẻ của France Cordova, giám đốc của Quỹ Khoa học Quốc gia, cơ quan quản lý IceCube.