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

Trong một nghiên cứu đột phá, các nhà khoa học đã thành công trong việc xác định nguồn gốc của một hạt neutrino mang năng lượng cao, mở ra cánh cửa mới cho việc hiểu biết về các hiện tượng không gian bí ẩn đã tồn tại hàng thế kỷ.

Neutrino, được biết đến như những hạt hạ nguyên tử với điện tích gần như bằng không, thường không tương tác với môi trường xung quanh, khiến cho chúng trở thành một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lý. Hằng ngày, hàng tỷ hạt neutrino lướt qua cơ thể chúng ta mà ta không hề cảm nhận được.

Phần lớn neutrino trên Trái Đất xuất phát từ Mặt Trời, nhưng một phần nhỏ khác có nguồn gốc từ những vị trí xa xôi trong vũ trụ. Đặc tính khó nắm bắt của chúng đã làm cho việc truy tìm nguồn gốc của chúng trở thành một thách thức lớn cho các nhà khoa học.

Đài quan sát IceCube Neutrino tại Nam Cực, cùng với nhiều đài quan sát khác trên toàn cầu, đã ghi nhận một neutrino đến từ một thiên hà elip khổng lồ, nơi có một hố đen siêu lớn đang quay với tốc độ cực nhanh ở trung tâm.

Thú vị hơn, những neutrino vũ trụ này cũng di chuyển cùng với các tia vũ trụ, tức là những hạt mang năng lượng cao liên tục rơi xuống Trái Đất. Do đó, các máy dò không chỉ phát hiện neutrino mà còn nhận được các tia vũ trụ siêu tốc.

Quay ngược lại năm 1912, lúc đó, các nhà thiên văn đã lần đầu tiên phát hiện ra tia vũ trụ nhưng chưa thể lý giải được chúng. Sự bí ẩn xoay quanh tia vũ trụ vẫn tiếp tục cho đến hôm nay. “Chúng tôi đã tìm kiếm nguồn phát của các tia vũ trụ này trong suốt một thế kỷ và cuối cùng đã tìm ra,” Francis Halzen, nhà khoa học dẫn đầu nghiên cứu tại Đài quan sát IceCube, cho biết.

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).

Thành Tựu Đến Từ Sự Cộng Tác Toàn Cầu

Dự án IceCube bắt đầu với việc xây dựng một máy dò siêu nhạy được chôn sâu dưới 1,5km băng tuyết ở Nam Cực. Hệ thống bao gồm 86 dây cáp, mỗi cáp chứa 60 module quang học nhạy cảm, có khả năng phát hiện ánh sáng phát ra từ neutrino khi chúng tương tác với hạt nhân nguyên tử.

Với thiết kế chôn sâu, máy dò này giúp ngăn chặn các hạt không phải neutrino để kết quả nghiệm thu được chính xác. “Để thu nhận tín hiệu từ sự tương tác yếu của neutrino, chúng tôi đã phải xây dựng một máy dò lớn chưa từng có,” tiến sĩ Susan Cartwright từ Đại học Sheffield chia sẻ. Trong suốt một năm, máy dò chỉ phát hiện được một số lượng nhỏ neutrino, chứng tỏ rằng chúng tương tác với môi trường xung quanh trong các tình huống rất hạn chế.

Việc đo đạc neutrino khi chúng tương tác với các vật chất xung quanh là bước tiến quan trọng trong việc xác định nguồn gốc của chúng, một thách thức không khác gì tìm kiếm một con đom đóm trong đêm hội pháo hoa.

Trước khi phát hiện lần này, IceCube đã từng ghi nhận các neutrino tới từ ngoài Ngân Hà nhưng không thể xác định được nguồn gốc chính xác.

Vào ngày 22 tháng 9 năm 2017, một neutrino đặc biệt với năng lượng lên tới 300 teraelectron volt đã được phát hiện, gấp 50 lần năng lượng của proton trong máy gia tốc lớn nhất thế giới. Chỉ sau một phút, máy dò đã gửi tín hiệu đến các nhà thiên văn trên toàn cầu để hướng ống kính quan sát đến khu vực đó nhằm tìm kiếm chứng cứ nguồn gốc của neutrino này.

Nhiều kính thiên văn đã quét qua khu vực đó bằng các phổ điện từ đa dạng, từ sóng vô tuyến đến tia gamma. Cuối cùng, nguồn gốc của neutrino bí ẩn được xác định là TXS 0506+056, cách chúng ta khoảng 4 tỷ năm ánh sáng.

Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng một số neutrino khác được ghi nhận vào cuối năm 2014 và đầu năm 2015 cũng có khả năng xuất phát từ cùng nguồn này.

“Thông qua việc phối hợp các quan sát từ khác nhau, chúng tôi đã có đủ bằng chứng thuyết phục về một nguồn phát neutrino mạnh mẽ, cùng với đó là những tia vũ trụ năng lượng cao,” Albrecht Karle, nhà khoa học tại IceCube cho biết.

Đồ họa mô phỏng về IceCube, nơi chứa máy dò các neutrino được đặt dưới lớp băng dày tại Nam Cực. (Ảnh: IceCube/NSF).

Các Phát Hiện Mới Trong Vũ Trụ Đang Được Khám Phá

Phát hiện này không chỉ xác định được nguồn phát neutrino mà còn mở ra nhiều câu hỏi mới cho các nhà khoa học về cơ chế tăng tốc của chúng. Làm thế nào mà nguồn phát này lại có khả năng phóng ra cả neutrino và tia vũ trụ cùng lúc?

Halzen tỏ ra lạc quan về khả năng giải đáp các câu hỏi này trong tương lai gần. Các nghiên cứu sẽ tiếp tục sử dụng nhiều dạng tín hiệu khác nhau để tìm hiểu vũ trụ, như cách mà các nhà khoa học đang áp dụng hiện nay.

Phát hiện neutrino này cũng hứa hẹn sẽ mở ra nhiều bí ẩn khác mà con người đang theo dõi. Vào tháng 10 năm 2017, việc quan sát sự va chạm giữa hai sao neutron siêu nặng đã giúp xác định được nhiều thông tin mới thông qua sóng hấp dẫn và bức xạ điện từ phát ra từ chúng.

“Thời đại của vật lý vũ trụ đa dạng thức đã đến. Mỗi loại dạng thức, từ bức xạ điện từ đến sóng hấp dẫn và nay là neutrino, đều cung cấp cho chúng ta những hiểu biết quan trọng về vũ trụ và các hiện tượng mạnh mẽ xảy ra trên bầu trời,” France Cordova, giám đốc Quỹ Khoa học Quốc gia cho hay.