Giải mã lý do nghiên cứu về 'hạt ma' đoạt giải Nobel Vật lý

Hạt neutrino mang thông tin quý giá từ vũ trụ tới Trái Đất có thể giúp giới nghiên cứu khám phá những hiện tượng vật lý thiên văn trong không gian sâu như vụ nổ siêu tân tinh và siêu hố đen.

Hành trình tìm kiếm hạt ma tại Nam Cực

Giải Nobel Vật lý đã vinh danh nhà khoa học Francis Halzen vì những đóng góp mang tính đột phá trong việc phát hiện hạt neutrino từ không gian sâu thông qua Đài quan sát neutrino IceCube đặt tại Nam Cực. Ý tưởng của Halzen bắt nguồn từ việc nhận thấy lớp băng dày và tinh khiết ở Nam Cực là môi trường hoàn hảo để theo dõi hành trình của hạt neutrino khi chúng xuyên qua Trái Đất sau khi được giải phóng từ các hiện tượng dữ dội trong vũ trụ.

Đài quan sát IceCube được xây dựng với quy mô một kilômét khối băng, trang bị hàng nghìn cảm biến ánh sáng siêu nhạy. Các thiết bị này có nhiệm vụ ghi lại những tia sáng yếu ớt phát ra từ các tương tác cực kỳ hiếm hoi giữa hạt neutrino với các hạt vật chất khác.

Đặc tính kỳ lạ của hạt neutrino

Neutrino là loại hạt có số lượng nhiều thứ hai trong vũ trụ, chỉ đứng sau photon (hạt ánh sáng). Dù có khoảng 100 nghìn tỷ hạt neutrino đi qua cơ thể người mỗi giây, chúng ta hoàn toàn không thể cảm nhận được chúng. Ước tính trong vòng 100 năm, chỉ có duy nhất một hạt neutrino tương tác với một nguyên tử trong cơ thể một người.

Chính vì đặc tính không mang điện tích, khối lượng gần như bằng không và khả năng di chuyển xuyên suốt vũ trụ với vận tốc xấp xỉ tốc độ ánh sáng mà không bị cản trở, neutrino được giới khoa học gọi bằng biệt danh "hạt ma". Những hạt neutrino năng lượng cao được sinh ra từ các sự kiện thiên văn cực đoan, đóng vai trò như những sứ giả truyền tải thông tin nguyên vẹn về Trái Đất mà không bị lệch hướng hay tiêu hao năng lượng.

Ý tưởng táo bạo và sự ra đời của IceCube

Vào năm 1988, Francis Halzen lần đầu tiên đề xuất phương pháp săn tìm hạt neutrino bằng cách lợi dụng sự tương tác ngẫu nhiên của chúng với các nguyên tử trong băng Nam Cực. Khu vực này là địa điểm lý tưởng nhờ môi trường hoàn toàn yên tĩnh, không bị nhiễu loạn bởi các hoạt động nhân tạo hay địa chấn.

Khi một hạt neutrino va chạm với hạt nhân nguyên tử, phản ứng này tạo ra các hạt mang điện và phát ra bức xạ ánh sáng xanh (bức xạ Cherenkov) có thể quan sát được trong môi trường trong suốt như nước hoặc băng. Halzen cùng các cộng sự đã thiết lập hệ thống gồm gần 5.500 cảm biến quang học chôn sâu một kilômét dưới lớp băng Nam Cực để thu nhận tín hiệu ánh sáng này.

Đài quan sát IceCube hoàn thành vào năm 2011 và nhanh chóng chứng minh tính đúng đắn trong lý thuyết của Halzen. Trong hai năm 2011 và 2012, trạm quan sát đã ghi nhận hai hạt neutrino có mức năng lượng cực cao (đạt mức PeV), được các nhà khoa học đặt tên thân mật là "Bert" và "Ernie".

Kỷ nguyên mới của ngành thiên văn học

Đến tháng 11/2013, nhờ cải tiến thuật toán phân tích dữ liệu, nhóm nghiên cứu đã phát hiện thêm 26 hạt neutrino năng lượng cao khác. Những hạt này có mức năng lượng vượt trội từ hàng chục đến hàng triệu lần so với mức năng lượng tối đa mà Máy Gia tốc Hạt Lớn (LHC) tại CERN có thể tạo ra.

Tập hợp 28 hạt neutrino này (với năng lượng từ 30 TeV đến hơn 1 PeV) là minh chứng không thể chối cãi cho thấy chúng bắt nguồn từ các nguồn vũ trụ xa xôi chứ không phải do tương tác trong bầu khí quyển Trái Đất. Sự kiện này chính thức khai sinh ra ngành thiên văn học neutrino, mở ra cơ hội giải mã những bí ẩn lớn của vũ trụ như nguồn gốc tia vũ trụ năng lượng cao hay vật chất tối.

Hiện nay, IceCube vẫn tiếp tục vận hành và cung cấp dữ liệu quý giá. Giới chuyên gia nhận định, sự ra đời của IceCube giống như việc nhân loại lần đầu tiên phát minh ra kính viễn vọng, nhưng thay vì nhìn bằng ánh sáng, chúng ta nhìn vũ trụ bằng các hạt cơ bản.