Đi tìm nguồn gốc hạt vũ trụ đi qua cơ thể chúng ta cả tỉ lần mỗi giây

Trên thực tế, trong suốt cuộc đời, may ra có một vài nguyên tử trong cơ thể bạn chạm được vào neutrino nguyên thủy. Đó là bởi nguyên tử dù nhỏ nhưng “rỗng” với với khoảng cách lớn giữa các hạt nhân nên hạt neutrino vốn trung hòa về điện dễ dàng xuyên qua cơ thể mà không để lại va chạm.

Các neutrino được tạo ra bởi các vật thể như lỗ đen thường có nhiều năng lượng hơn các neutrino nguyên thủy trôi nổi trong không gian. Mặc dù hiếm hơn nhiều, những neutrino năng lượng cao này có nhiều khả năng va chạm vào thứ gì đó hơn và tạo ra tín hiệu mà các nhà vật lý có thể phát hiện được. Nhưng để phát hiện ra chúng, các nhà vật lý neutrino đã phải thiết kế những thí nghiệm rất quy mô.

IceCube, một trong những thí nghiệm như vậy, đã ghi vết một loại neutrino đến từ vũ trụ có năng lượng đặc biệt hiếm trong một nghiên cứu được công bố vào tháng 4 năm nay. Những neutrino năng lượng cao này thường “giả dạng” thành các loại neutrino khác, phổ biến hơn. Nhưng lần đầu tiên, Giáo sư Vật lý và Giáo sư Thiên văn học và Vật lý thiên văn, bang Pennsylvania Doug Cowen và các đồng nghiệp đã phát hiện ra chúng từ dữ liệu gần 10 năm thu thập.

Sự hiện diện của chúng đưa các nhà nghiên cứu tiến một bước gần hơn đến việc làm sáng tỏ bí ẩn về cách thức tạo ra các hạt có năng lượng cao như neutrino..

Đài quan sát IceCube

Đài quan sát neutrino IceCube là nơi thực hiện các thí nghiệm neutrino quy mô. Đài thu nhận tín hiệu từ khoảng 5.000 cảm biến đã theo dõi sát sao hàng tấn băng dưới Nam Cực trong hơn một thập niên. Sở dĩ chọn xây ở Nam Cực là để tránh bầu không khí ô nhiễm do con người tạo ra, giúp đón nhận các tia vũ trụ một cách hiệu quả nhất.

Khi một neutrino va chạm với một nguyên tử trong băng, nó tạo ra điểm cầu ánh sáng mà các cảm biến ghi lại. Nhờ vậy, IceCube đã phát hiện các neutrino được tạo ra ở một số nơi, chẳng hạn như bầu khí quyển Trái đất, trung tâm Ngân hà và lỗ đen ở các thiên hà khác cách xa chúng ta nhiều năm ánh sáng. Nhưng neutrino tau, một loại neutrino có năng lượng đặc biệt, đã lẩn tránh IceCube – cho đến tận bây giờ.

Neutrino có ba loại khác nhau mà các nhà vật lý gọi là “hương” hay "vị" (neutrino electron, neutrino muon hoặc neutrino tau). Mỗi hương đều để lại dấu ấn riêng biệt trên máy dò như IceCube.

Khi một neutrino va chạm vào một hạt khác, nó thường tạo ra một hạt tích điện tương ứng với hương của nó. Neutrino muon tạo ra hạt muon, neutrino electron tạo ra hạt electron và neutrino tau tạo ra hạt tau.

Neutrino có hương muon có dấu hiệu đặc biệt nhất, vì vậy các nhà khoa học trong nhóm cộng tác IceCube đã tìm kiếm những hạt đó đầu tiên một cách tự nhiên. Muon phát ra từ một vụ va chạm neutrino muon sẽ di chuyển qua hàng trăm mét băng, tạo ra một vệt ánh sáng dài có thể phát hiện được trước khi nó kịp phân hủy. Dấu vết này cho phép các nhà nghiên cứu truy tìm nguồn gốc của neutrino.

Tiếp theo, đội nghiên cứu quan sát các neutrino electron, những tương tác của chúng tạo ra một điểm sáng gần như hình cầu. Electron được tạo ra bởi một vụ va chạm neutrino electron không bao giờ phân rã và nó va vào mọi hạt băng mà nó đến gần. Sự tương tác này để lại một điểm sáng giãn nở theo hình cầu.

Vì hướng của neutrino electron rất khó nhận biết bằng mắt nên các nhà vật lý IceCube đã áp dụng các kỹ thuật để chỉ ra nơi các neutrino electron có thể đã được tạo ra. Những kỹ thuật này sử dụng các tài nguyên tính toán phức tạp và điều chỉnh hàng triệu tham số để tách tín hiệu neutrino khỏi tất cả các tín hiệu nền đã biết.

Hương thứ ba của neutrino, neutrino tau, là “tắc kè hoa” khó nắm bắt nhất. Một neutrino tau có thể xuất hiện dưới dạng một vệt ánh sáng, trong khi neutrino tiếp theo có thể xuất hiện dưới dạng một điểm sáng. Hạt tau được tạo ra trong vụ va chạm sẽ di chuyển trong một phần vô cùng nhỏ của một giây trước khi phân rã và khi phân rã, nó thường tạo ra một điểm sáng hình cầu .

Những neutrino tau đó tạo ra hai quả cầu sáng, một quả cầu ban đầu do chúng đập vào vật gì đó và tạo ra hạt tau, còn một quả cầu là nơi bản thân hạt tau phân rã. Hầu hết thời gian, hạt tau phân rã sau khi chỉ di chuyển một khoảng cách rất ngắn, khiến hai quả cầu sáng chồng lên nhau đến mức không thể phân biệt được giữa chúng với nhau.

Nhưng ở mức năng lượng cao hơn, hạt tau phát ra có thể di chuyển hàng chục mét, khiến hai quả cầu sáng tách rời nhau. Các nhà vật lý được trang bị những kỹ thuật tân tiến có thể nhìn thấu điều này – một công việc được mô tả là tìm ra kim dưới đáy bể.

Khi neutrino di chuyển qua IceCube, một phần rất nhỏ trong số chúng sẽ tương tác với các nguyên tử trong băng và tạo ra ánh sáng mà các cảm biến ghi lại. Trong video, các quả cầu đại diện cho các cảm biến riêng lẻ, với kích thước của mỗi quả cầu tỷ lệ thuận với lượng ánh sáng mà nó phát hiện được. Màu sắc biểu thị thời gian đến tương đối của ánh sáng, theo màu sắc của cầu vồng, trong đó màu đỏ đến sớm nhất và màu tím đến muộn nhất.

Với những công cụ tính toán này, đội nghiên cứu đã trích xuất được bảy neutrino tau nổi bật từ khoảng 10 năm dữ liệu. Những neutrino tau này có năng lượng cao hơn cả những máy gia tốc hạt mạnh nhất trên Trái đất, nghĩa là chúng phải đến từ các nguồn vũ trụ, chẳng hạn như lỗ đen.

Khi IceCube và các thí nghiệm neutrino khác thu thập nhiều dữ liệu hơn và các nhà khoa học ngày càng phân biệt rõ hơn ba loại neutrino, các nhà nghiên cứu cuối cùng sẽ có thể đoán được neutrino đến từ các lỗ đen được tạo ra như thế nào.

Neutrino tau giàu năng lượng (kể cả neutrino muon) thường luôn ít hơn so với các neutrino phổ biến đến từ Vụ nổ lớn. Nhưng ngoài không gian vô tận, vẫn nhiều thứ để giúp các nhà khoa học tìm kiếm những nguồn phát neutrino mạnh nhất trong vũ trụ.