Giải bài toán bí ẩn neutrino còn thiếu

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'giải bài toán bí ẩn neutrino còn thiếu', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giải bài toán bí ẩn neutrino còn thiếu

Gi i bài toán bí n neutrino còn thi u John N. Bahcall Ba năm t 2001 n 2003 là nh ng năm tháng vàng son c a nghiên c u neutrino m t tr i. Trong th i gian này, các nhà khoa h c ã gi i ư c m t bí n mà h ã ph i v t l n v i nó trong su t b n th p k . L i gi i hóa ra th t quan tr ng i v i c v t lí h c l n thiên văn h c. Trong bài báo này, tôi s k l i câu chuy n ba năm huy n tho i ó. Hai ph n u tóm t t bí m t neutrino m t tr i và ưa ra l i gi i ã ư c tìm th y trong ba năm v a qua. Hai ph n ti p theo mô t ý nghĩa c a l i gi i i v i v t lí h c và thiên văn h c. Ph n ti p theo ó v ch rõ cái còn l i làm trong nghiên c u neutrino m t tr i và trình bày quan i m riêng c a tôi lí gi i t i sao m t hơn 30 năm m i gi i xong bí n neutrino còn thi u. Ph n cu i cùng mang l i m t n tư ng nhìn l i quá kh c a l i gi i. Bí n C nh m màn Trong n a u th k 20, các nhà khoa h c tr nên b thuy t ph c r ng m t tr i chi u sáng b ng cách chuy n hóa, sâu bên trong c a nó, hydrogen thành helium. Theo lí thuy t này, b n h t nhân hydrogen g i là proton (p) b bi n i bên trong m t tr i thành h t nhân helium (4He), hai ph n electron (e+, electron tích i n dương) và hai h t bí n và khó n m b t g i là neutrino (νe). Quá trình bi n i h t nhân này, hay s nhi t h ch h t nhân, ư c tin là nguyên nhân cho ánh sáng m t tr i và do ó cho m i s s ng trên trái t. Quá trình bi n i, bao g m nhi u ph n ng h t nhân khác nhau, có th vi t thành sơ như sau: (1) Hai neutrino sinh ra m i khi ph n ng nhi t h ch (1) x y ra. Vì b n proton n ng hơn m t h t nhân helium, hai electron dương và hai neutrino, nên ph n ng (1) gi i phóng r t nhi u năng © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 21
lư ng i v i m t tr i cu i cùng i t i trái t dư i d ng ánh sáng m t tr i. Ph n ng ó x y ra r t thư ng xuyên. Neutrino d dàng thoát kh i m t tr i và năng lư ng c a chúng không bi u hi n dư i d ng nhi t m t tr i hay ánh sáng m t tr i. ôi khi neutrino ư c t o ra v i năng lư ng tương i th p và m t tr i cho r t nhi u nhi t. ôi khi neutrino sinh ra v i năng lư ng cao hơn và m t tr i cho ít năng lư ng hơn. Các neutrino trong phương trình (1) và minh h a dư i ây là tâm i m c a bí n mà chúng ta kh o sát trong bài vi t này. Neutrino có i n tích b ng không, tương tác r t hi m v i v t ch t và – theo các giáo trình c a mô hình chu n c a v t lí h t cơ b n – không có kh i lư ng. Kho ng 100 t neutrino phát ra t m t tr i hình bóng b n trong m i giây, nhưng b n không c m th y chúng vì chúng tương tác quá hi m và quá y u v i v t ch t. Neutrino th t s không b h y di t; h u như không có gì x y ra v i chúng. Trong m i trăm t neutrino m t tr i truy n qua trái t, ch kho ng ch ng m t h t có tương tác v i toàn b kh i v t ch t c u thành nên trái t. Vì chúng quá hi m khi tương tác, nên neutrino d dàng thoát ra kh i ph n bên trong m t tr i, nơi chúng sinh ra, và mang l i thông tin tr c ti p v các ph n ng nhi t h ch m t tr i n v i chúng ta trên trái t. Có ba lo i neutrino ã bi t. S nhi t h ch h t nhân trong m t tr i ch t o ra m t lo i neutrino i cùng v i electron nên g i là electron neutrino (νe). Hai lo i neutrino kia, muon neutrino (νµ) và tau neutrino (ντ) ư c t o ra, ví d , trong các máy gia t c phòng thí nghi m, ho c trong nh ng ngôi sao ang bùng n , cùng v i các ch em n ng hơn c a electron, các h t muon (µ) và tau (τ). Neutrino b thi u Vào năm 1964, sau nghiên c u tiên phong c a Raymond Davis Jr, ông và tôi ã xu t m t thí nghi m nh m ki m tra xem vi c bi n i h t nhân hydrogen thành h t nhân helium trong m t tr i có th t s là ngu n phát c a ánh sáng m t tr i, như phương trình (1) xác nh n hay không. Tôi ã tính toán cùng v i các ng s c a tôi s lư ng neutrino thu c các năng lư ng khác nhau mà m t tr i t o ra b ng m t mô hình máy tính chi ti t c a m t tr i và còn tính s nguyên t argon phóng x (37Ar) mà nh ng neutrino m t tr i này s t o ra trong m t b l n ch a ch t l ng s ch g c chlorine (C2Cl4). M c dù ý tư ng có v vi n vông i v i nhi u chuyên gian, nhưng Ray m b o r ng ông có th trích s lư ng như tiên oán c a vài nguyên t 37Ar m i tháng ra kh i b ch t l ng s ch có kích thư c kho ng ch ng b ng m t cái h bơi c l n. 22 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
Nh ng k t qu u tiên c a thí nghi m c a Ray ư c công b trong năm 1968. Ông ã phát hi n ch kho ng 1/3 s lư ng nguyên t argon phóng x tiên oán. S khác nhau gi a s neutrino tiên oán và s neutrino mà Ray o ư c s m tr nên n i ti ng là “Bài toán neutrino m t tr i” hay, theo ng c nh ph bi n hơn, “Bí n neutrino còn thi u”. Raymond Davis Jr (trái) và John Bahcall trong trang ph c th m và nón b o h . nh ch p năm 1967, kho ng m t d m sâu dư i lòng t trong m vàng Homestake Lead, South Dakota, Mĩ. Trong nh, Davis ang ch cho Bahcall xem cái thùng thép m i xây d ng c a ông ( ư ng kính 6m, dài 15 m) ch a m t lư ng l n ch t l ng s ch (40.000 lít) và ư c dùng b t neutrino n t m t tr i. Nh ng l i gi i thích kh dĩ Ba l p gi i thích ã ư c xu t gi i thích bí n ó. Trư c h t, có l nh ng tính toán lí thuy t là sai l m. i u này có th x y ra theo hai ki u. Ho c là s lư ng tiên oán c a neutrino không chính xác, ho c là t c s n sinh tính ư c c a các nguyên t argon là không úng. Th hai, có l thí nghi m c a Ray ã sai. Th ba, và ây là kh năng táo b o nh t và ít ư c bàn cãi nh t, có l các nhà v t lí không hi u neutrino hành x như th nào khi chúng truy n i nh ng kho ng cách thiên văn l n. Các tính toán lí thuy t ã ư c tinh ch nh và ki m nghi m nhi u l n trong su t hai th p k sau ó b i tôi và b i các nhà nghiên c u khác. D li u s d ng trong tính toán ư c c i thi n và các tiên oán tr nên chính xác hơn. Không có sai sót áng k nào ư c tìm th y trong mô hình máy tính c a m t tr i hay trong tính toán c a tôi v xác su t cho thùng c a Ray b t ư c neutrino. ng th i, Ray ã tăng thêm nh y cho thí nghi m c a ông. Ông cũng ã th c hi n m t s ki m nghi m khác nhau c a kĩ thu t c a ông nh m m b o r ng không b sót m t neutrino nào. Không có sai s áng k nào ư c tìm th y trong phép o. S không nh t quán gi a lí thuy t và th c nghi m v n còn ó. Còn l i gi i thích kh dĩ th ba, m t n n v t lí m i, thì sao ? Ngay trong năm 1969, Bruno Pontecorvo và Vladimir Gribov thu c Liên Xô ã xu t cách gi i thích th ba li t kê trên, c th là neutrino hành x khác v i các nhà v t lí gi thi t. R t ít nhà v t lí xem ý tư ng này là nghiêm túc vào th i kì ó khi nó l n u tiên ư c xu t, nhưng b ng ch ng ng h cho kh năng này ã tăng lên theo th i gian. © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 23
B ng ch ng ng h n n v t lí m i Vào năm 1989, 21 năm sau khi k t qu th c nghi m u tiên ư c công b , m t chương trình h p tác Nh t-Mĩ ã báo cáo k t qu c a m t n l c “gi i” bài toán neutrino m t tr i. Nhóm th c nghi m m i tên g i là Kamiokande ( ng u là Masatoshi Koshiba và Yoji Totsuka) s d ng m t máy dò h t c l n dùng nư c tinh khi t ot c electron trong nư c làm tán x các neutrino năng lư ng cao nh t phát ra t m t tr i. Máy dò h t dùng nư c r t nh y, nhưng ch v i các neutrino năng lư ng cao ư c t o ra b i m t ph n ng h t nhân hi m (liên quan n s phân h y c a h t nhân 8B) trong chu trình s n sinh năng lư ng m t tr i. Thí nghi m Davis ban v i chorine là căn b n, nhưng không nh y v i các neutrino năng lư ng cao tương t . Thí nghi m Kamiokande xác nh n s lư ng s ki n neutrino quan sát th y ít hơn tiên oán b i mô hình lí thuy t c a m t tr i và b i sách giáo khoa v neutrino. Nhưng s khác bi t trong máy dò h t dùng nư c có ph n kém gay g t hơn trong máy dò h t chlorine c a Ray Davis. Trong th p k sau ó, ba thí nghi m neutrino m t tr i m i ã ào sâu bí n c a neutrino còn thi u. Các thí nghi m Italy và Nga s d ng các máy dò h t c l n ch a gallium cho th y các neutrino năng lư ng th p hơn hình như cũng ang thi u. Nh ng thí nghi m này g i tên là GALLEX ( ng u là Till Kirsten Heidelberg, c) và SAGE ( ng u là Vladimir Gavrin Moscow, Nga). Th c t GALLEX và SAGE nh y v i các neutrino năng lư ng th p r t quan tr ng vì tôi tin r ng tôi có th tính ư c s lư ng neutrino năng lư ng th p chính xác hơn s lư ng neutrino năng lư ng cao. Ngoài ra, m t m u l n hơn nhi u c a máy dò h t dùng nư c ki u Nh t, g i là Super-Kamiokande ( ng u là Totsuka và Yochiro Suzuki) ã th c hi n nh ng phép o chính xác hơn v các neutrino năng lư ng cao và xác nh n s thi u h t ban u c a các neutrino năng lư ng cao tìm th y b i thí nghi m chlorine và thí nghi m Kamiokande. Như v y, c neutrino năng lư ng cao l n th p u b thi u, m c dù không t l như nhau. Máy dò h t Super-Kamiokande, i h c Tokyo. Máy dò h t g m m t th tích trong và m t th tích ngoài ch a tương ng 32.000 và 18.000 t n nư c tinh khi t. Th tích bên ngoài che ch n cho th tích bên trong, nơi các tương tác neutrino ư c nghiên c u. Th tích bên trong ư c bao b c b i 11.000 ng nhân quang phát hi n ánh sáng Cherenkov màu xanh m phát ra khi các electron b va ch m b i neutrino. 24 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
B ng ch ng thu ư c trong th p k này xác nh n i u gì ó ph i x y ra v i neutrino trên hành trình c a chúng n v i trái t t ph n bên trong c a m t tr i. Năm 1990, Hans Bethe và tôi ã ch ra r ng n n v t lí neutrino m i, ngoài cái ã có trong các sách giáo khoa v t lí h t chu n, là c n thi t dung hòa k t qu c a thí nghi m chlorine Davis và thí nghi m nư c Nh t- Mĩ. K t lu n c a chúng tôi d a trên m t phép phân tích nh y tương i c a thí nghi m chlorine và thí nghi m nư c i v i s neutrino và năng lư ng neutrino. Các thí nghi m neutrino m t tr i m i hơn Italy và Nga là tăng thêm khó khăn c a vi c gi i thích s li u neutrino mà không vi n n n n v t lí m i. B ng ch ng m i cũng cho th y các tiên oán mô hình m t tr i là xác th c. Vào năm 1997, các phép o chính xác ã ư c th c hi n v t c âm thanh qua ph n bên trong m t tr i b ng nh ng dao ng tu n hoàn quan sát th y ánh sáng thông thư ng phát ra t b m t m t tr i. Tc âm thanh o ư c phù h p n chính xác 0,1% v i t c tính toán trong mô hình lí thuy t c a chúng ta v m t tr i. Nh ng phép o này xu t v i các nhà thiên văn h c r ng mô hình lí thuy t c a m t tr i là chính xác n m c mô hình cũng ph i tiên oán chính xác s lư ng neutrino m t tr i. Th p niên cu i cùng c a th k 20 ã mang l i b ng ch ng m nh m r ng m t lí thuy t t t hơn c a n n v t lí cơ s là c n thi t gi i quy t bí n neutrino còn thi u. Nhưng chúng ta v n c n tìm m t phát súng khai màn. Gi i pháp Vào ngày 18 tháng 6 năm 2001, lúc 12:15 chi u, các nhà khoa h c thu c m t chương trình h p tác Canada, Mĩ, và Anh, ã ưa ra m t công b y k ch tính: h ã gi i ư c b i toán neutrino m t tr i. Chương trình h p tác qu c t ó ( ng u là Arthur MacDonald Ontario, Canada) báo cáo k t qu neutrino m t tr i u tiên thu ư c v i m t máy dò h t g m 1000 t n nư c n ng (D2O). Máy dò h t m i, t trong m t m nickel Sudbury, Ontario, Canada, có th nghiên c u theo m t phương pháp khác, các neutrino m t tr i năng lư ng cao tương ương ã ư c nghiên c u trư c ó Nh t B n v i các máy dò h t nư c thư ng Kamiokande và Super-Kamiokande. Máy dò h t Canada tên g i là SNO, vi t t t c a ài quan sát neutrino m t tr i. Nh ng thí nghi m d t khoát Trong nh ng phép o u tiên c a h , chương trình h p tác SNO s d ng máy dò h t nư c n ng trong m t mode ch nh y v i các electron neutrino. Các nhà khoa h c SNO quan sát ư c g n m t ph n ba s lư ng electron neutrino như mô hình máy tính chu n c a m t tr i tiên oán t o ra bên trong m t tr i. Máy dò h t Super-Kamiokande, ch y u nh y v i electron neutrino nhưng cũng nh y ôi chút v i nh ng lo i neutrino khác, quan sát th y kho ng ch ng phân n a s s ki n như trông i. © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 25
N u như mô hình chu n c a n n v t lí h t là úng, thì t l o ư c b i SNO và t l o ư c b i Supe-Kamiokande ph i b ng nhau. T t c neutrino s là electron neutrino. Nh ng t l ó khác nhau. Mô hình sách v c a n n v t lí h t ã sai. Hình minh h a cho th y m t c t c a ài quan sát neutrino m t tr i Sudbury, b c trong v b c c a nó và dìm trong m t m khoáng. Máy dò h t bên trong ch a 1000 t n nư c n ng và ư c bao b c b i m t c u trúc thép không g mang kho ng 10.000 ng nhân quang. Ph n bên ngoài, h p hình ru t bò ( ư ng kính 22 m và cao 34 m) ch a y nư c thư ng ã l c tinh khi t nh m ch ng và che ch n ch ng l i các h t khác ngoài neutrino. K t h p các phép o SNO và Super-Kamiokande, chương trình h p tác SNO xác nh ư c t ng s neutrino m t tr i thu c m i lo i (electron, muon, và tau) cũng như s lư ng c a ch electron neutrino. T ng s neutrino thu c m i lo i phù h p v i s lư ng tiên oán b i mô hình máy tính c a m t tr i. Các electron neutrino chi m kho ng m t ph n ba t ng s neutrino. Phát súng khai cu c ã ư c phát hi n. Phát súng khai cu c là s chênh l ch gi a t ng s neutrino và s lư ng c a ch electron neutrino. Neutrino còn thi u th t ra ã có m t, nhưng d ng khó phát hi n hơn nhi u so v i muon và tau neutrino. K t qu l ch s công b vào tháng 6 năm 2001 ã ư c xác nh n b i nh ng thí nghi m sau ó. Chương trình h p tác SNO ã th c hi n nh ng phép o m i c nh t vô nh trong ó t ng s neutrino năng lư ng cao thu c m i lo i ư c quan sát th y trong máy dò h t nư c n ng. K t qu t nh ng phép o SNO này ơn c ch ra r ng a s neutrino sinh ra bên trong m t tr i, t t c chúng là electron neutrino khi chúng ư c t o ra, b bi n i thành muon và tau neutrino vào lúc chúng i t i trái t. Phép o t ng s neutrino trong máy dò h t SNO mang l i d u v t cho phát súng khai cu c. Nh ng k t qu mang tính cách m ng này ã ư c xác nh n c l p trong m t thành t u phi thư ng b i m t chương trình h p tác th c nghi m Nh t-Mĩ, Kamland, chương trình nghiên c u, thay cho neutrino m t tr i, các ph n neutrino phát ra t các lò ph n ng i n h t nhân Nh t và các nư c láng gi ng. Chương trình h p tác ( ng u là Atsuto Suzuki, Sendai, Nh t B n) quan sát th y m t s thi u h t s lư ng phát hi n ư c c a các ph n neutrino phát ra t lò ph n ng i n h t nhân. S thi u h t ã ư c tiên oán cho thí nghi m Kamland d a trên các 26 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
tính toán mô hình m t tr i, các phép o neutrino m t tr i, và mô hình lí thuy t c a hành vi neutrino, gi i thích t i sao nh ng tính toán và phép o trư c ó dư ng như không ăn kh p nhau. Các phép o Kamland ã c i thi n áng k s hi u bi t c a chúng ta v nh ng thông s c trưng cho neutrino. Neutrino b thi u là do âu ? L i gi i c a bí n neutrino m t tr i còn thi u là neutrino th t ra không thi u. Các neutrino trư c ây không m ư c ã bi n i t electron neutrino thành muon và tau neutrino khó phát hi n hơn. Các muon và tau neutrino không ư c phát hi n b i thí nghi m Davis v i chlorine; chúng không b phát hi n b i các thí nghi m gallium Nga và Italy; và chúng không b phát hi n b i phép o SNO u tiên. S thi u nh y này v i muon và tau neutrino là nguyên nhân khi n cho nh ng thí nghi m này có v cho r ng a s neutrino m t tr i mong i b thi u h t. M t khác, các thí nghi m nư c Kamionkande và Super-Kamiokande Nh t và sau này là các thí nghi m nư c n ng SNO có m t s nh y v i muon và tau neutrino, ngoài s nh y ch y u c a chúng v i electron neutrino. Các thí nghi m dùng nư c này do ó hé m nh ng t l l n hơn c a neutrino m t tr i như tiên oán. T tc i u này có ý nghĩa gì i v i v t lí h c ? i u gì sai i v i neutrino ? Neutrino m t tr i có m t s l n x n a tính cách. Chúng ư c t o ra dư i d ng electron neutrino trong m t tr i, nhưng trên hành trình n trái t, chúng ã bi n i lo i c a chúng. i v i neutrino, ngu n g c c a s l n x n tính cách là m t quá trình cơ lư ng t , g i là “dao ng neutrino”. Pontecorvo và Gribov ã có ý tư ng úng vào năm 1969. Các neutrino m t tr i năng lư ng th p chuy n hóa t electron neutrino sang lo i khác khi chúng truy n trong chân không t m t tr i t i trái t. Quá trình ó có th ti n tri n t i lui gi a các lo i khác nhau. S bi n i tính cách, hay s dao ng, ph thu c vào năng lư ng neutrino. các m c năng lư ng neutrino cao, quá trình dao ng ư c tăng cư ng b i các tương tác v i electron trong m t tr i ho c trong trái t. Stas Mikheyev, Alexei Smirnov, và Lincoln Wolfenstein ban u xu t r ng các tương tác v i electron trong m t tr i có th làm tăng thêm s l n x n tính cách c a các neutrino, t c là s có m t c a v t ch t có th làm cho các neutrino dao ng mãnh li t hơn gi a các lo i khác nhau. Ngay trư c phép o SNO năm 2001, các phép phân tích hi n tư ng h c c a t t c s li u th c nghi m neutrino m t tr i ã xu t v i s ch c ch n khá cao r ng m t s cơ s v t lí m i ang xu t hi n. Các thông s neutrino ư c ưa chu ng t các phép phân tích ti n SNO này phù h p v i các thông s sau này ư c ch n v i s tin c y cao hơn b i các k t qu SNO và Super- Kamiokande. Nhưng, v n còn thi u phát súng khai cu c. Các k t qu SNO và Super-Kamiokande k t h p v i nhau tương ương v i vi c tìm th y m t phát súng khai cu c, vì chúng quy cho các neutrino m t tr i năng lư ng cao như nhau, và vì © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 27
các thí nghi m s d ng nh ng kĩ thu t quen thu c v i nhi u nhà v t lí. C hai thí nghi m cũng bao g m nhi u ki m nghi m trên các phép o c a chúng. Bruno Pontecorvo trong văn phòng c a ông t i Liên vi n v t lí h t nhân Dubna, Nga, vào năm 1983. Pontecorvo ang bàn v v t lí v i c ng s c a ông, Samoil Bilenky. Cu i bu i chi u hôm ó, Pontecorvo ã t ch c ti c sinh nh t l n th 70 c a ông. i u gì sai i v i mô hình chu n c a v t lí h t ? Mô hình chu n c a v t lí h t gi s các neutrino không có kh i lư ng. cho các dao ng neutrino x y ra, m t s neutrino ph i có kh i lư ng. Vì th , mô hình chu n c a v t lí ph i ư c s a l i. Mô hình ơn gi n nh t phù h p v i m i s li u neutrino g i ý r ng kh i lư ng c a electron neutrino nh hơn kho ng 100 tri u l n kh i lư ng c a electron. Nhưng s li u s n có không d t khoát lo i tr t t c mà ch là m t l i gi i kh dĩ. Cu i cùng khi chúng ta có m t l i gi i duy nh t, thì giá tr c a các kh i lư ng neutrino khác nhau có th là manh m i ưa n vi c tìm hi u n n v t lí ngoài mô hình chu n c a v t lí h t. Có hai mô t tương ương nhau c a neutrino, m t là bi u di n dư i d ng kh i lư ng c a neutrino, và m t là bi u di n dư i d ng các h t mà v i nó neutrino i kèm (electron neutrino v i electron, muon neutrino v i h t muon, hay tau neutrino v i h t tau). M i quan h gi a mô t kh i lư ng và mô t h t i kèm bao hàm nh ng h ng s nh t nh, g i là “góc hòa nh p” có giá tr là nh ng manh m i ti m tàng quan tr ng có th giúp ưa n m t lí thuy t c i ti n v cách th c hành x c a các h t cơ b n. Nghiên c u neutrino m t tr i cho th y r ng neutrino có th bi n i tính cách hay lo i c a chúng. Mô t toán h c c a ch ng t t này xác nh các i lư ng chúng ta hi v ng s là nh ng manh m i h u ích trong vi c tìm ki m m t lí thuy t t ng quát hơn v cách th c các h t cơ b n hành x . T tc i u này có ý nghĩa gì i v i thiên văn h c ? T ng s neutrino quan sát th y trong các thí nghi m SNO và Super-Kamiokande phù h p v i s lư ng tính toán b ng mô hình máy tính chu n c a m t tr i. i u này cho th y chúng ta 28 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
hi u cách th c m t tr i chi u sáng, câu h i căn b n ã kh i xư ng lĩnh v c nghiên c u neutrino m t tr i. L i gi i c a bí n neutrino còn thi u là m t thành t u quan tr ng i v i thiên văn h c. Các tiên oán mô hình m t tr i chu n ã ư c xác nh n; mô hình chu n c a v t lí h t ph i s a l i. Cách nay b n th p k , khi thí nghi m neutrino m t tr i u tiên ư c xu t, không ai oán trư c r ng k t qu s t ư c bư c chuy n bi n s ki n này. d oán chính xác s lư ng neutrino t o ra b i các ph n ng h t nhân trên m t tr i, nhi u hi n tư ng ph c t p ph i ư c hi u m t cách chi ti t. Ví d , ngư i ta ph i hi u s ph c t p c a các ph n ng h t nhân t i các năng lư ng, nơi các phép o khó th c hi n. Ngư i ta ph i hi u s chuy n hóa năng lư ng nh ng nhi t và m t r t cao. Ngư i ta ph i hi u tr ng thái c a v t ch t trên m t tr i trong nh ng i u ki n không th nghiên c u tr c ti p trên trái t. Nhi t t i tâm c a m t tr i cao hơn kho ng 50.000 l n nhi t trên trái t vào m t ngày nhi u n ng và mt t i tâm c a m t tr i kho ng 100 l n m t c a nư c. Ngư i ta ph i o s phong phú c a các nguyên t n ng trên b m t c a m t tr i và sau ó tìm hi u xem s phong phú này thay i như th nào khi i sâu hơn vào trong m t tr i. T t c nh ng i u này và nhi u chi ti t n a ph i ư c hi u và tính toán chính xác. S lư ng tiên oán c a neutrino m t tr i năng lư ng cao có th ch ra b ng m t phép tính cơ lư ng t ph thu c nhi u vào nhi t t i tâm c a m t tr i. Sai s 1% nhi t tương ng v i sai s kho ng 30% s lư ng tiên oán c a neutrino; sai s 3% nhi t mang l i sai s g p ôi neutrino. Nguyên nhân v t lí cho nh y l n này là năng lư ng c a các h t tích i n ph i va ch m t o ra neutrino năng lư ng cao là nh so v i l c y i n l n nhau c a chúng. Ch m t t l nh các va ch m h t nhân trong m t tr i thành công trong vi c chi n th ng l c y này và gây ra s nhi t h ch; t l này r t nh y v i nhi t . B t ch p nh y l n này v i nhi t , mô hình lí thuy t c a m t tr i là chính xác tiên oán chính xác s lư ng neutrino. N l c nghiên c u c a hàng nghìn nhà nghiên c u các vi n phân b trên kh p th gi i là c n thi t thu ư c chính xác c n thi t. Là k t qu c a n l c c ng ng này trong b n th p k v a qua, bây gi chúng ta có s tin tư ng vào s hi u bi t c a chúng ta v cách th c m t tr i chi u sáng. Chúng ta có th s d ng ki n th c này gi i thích nh ng quan sát c a các thiên hà xa cũng ch a các ngôi sao. Chúng ta có th s d ng ki n th c v cách th c ngôi sao phát sáng và ti n hóa bi t thêm v s ti n hóa c a vũ tr . Vi c còn l i làm là gì ? Các máy dò h t chlorine và gallium không o ư c năng lư ng c a các s ki n neutrino. Ch có máy dò h t dùng nư c (Kamiokande, Super-Kamiokande và SNO) mang l i thông tin nh t nh v năng lư ng c a neutrino m t tr i quan sát ư c. Tuy nhiên, các máy dò h t dùng nư c ch nh y v i neutrino năng lư ng cao (v i năng lư ng > 5 tri u electron-volt). Mô hình máy tính chu n c a m t tr i tiên oán r ng a s neutrino m t tr i có năng lư ng n m dư i ngư ng phát hi n c a các máy dò h t dùng nư c. N u như mô hình m t tr i chu n là úng, thì các máy dò h t dùng nư c nh y v i ch kho ng 0,01% s neutrino mà m t tr i © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 29
phát ra. 99,99% còn l i ph i quan sát th y trong tương lai v i nh ng máy dò h t m i nh y v i các năng lư ng tương i th p M t tr i là ngôi sao duy nh t g n v i trái t cho chúng ta quan sát neutrino t o ra b i các ph n ng nhi t h ch h t nhân. i u quan tr ng là quan sát các neutrino năng lư ng th p d i dào ki m tra chính xác hơn lí thuy t v s ti n hóa sao. Chúng ta tin r ng chúng ta có th tính ư c s lư ng mong i c a các neutrino năng lư ng th p chính xác hơn chúng ta có th tính s lư ng neutrino năng lư ng cao. Vì v y, m t phép o chính xác s lư ng neutrino năng lư ng th p s là m t phép ki m nghi m quan tr ng m c chính xác c a lí thuy t m t tr i c a chúng ta. Có th v n còn ó nh ng b t ng . năng lư ng th p (< 2 tri u electron-volt), chúng ta tin r ng lí thuy t c a Pontecorvo và Gribov mô t t t s chuy n hóa trong chân không c a electron neutrino thành neutrino thu c các lo i khác. năng lư ng cao, chúng ta nghĩ r ng các tương tác v i electron, như xu t b i Mikheyev, Smirnov và Wolfenstein, là c n thi t hi u ư c s chuy n hóa tăng thêm c a các electron neutrino thành nh ng lo i khác c a neutrino. Chúng ta c n nh ng thí nghi m m i năng lư ng th p ki m tra, và tìm hi u nh lư ng, s bi n i cơ ch chuy n hóa t quá trình ó ho t ng năng lư ng cao sang quá trình quan tr ng nh t năng lư ng th p. Các thí nghi m neutrino m t tr i năng lư ng th p cũng có th mang l i nh ng phép o tao nhã c a các thông s mô t các dao ng neutrino. Chúng ta có th s d ng neutrino o sáng toàn ph n c a m t tr i. Ư c tính hi n nay c a sáng toàn ph n ch s d ng các h t ánh sáng, g i là photon. N u như ngu n năng lư ng b c x duy nh t là các ph n ng nhi t h ch h t nhân như ã mô t b ng phương trình trong ph n u bài vi t này, thì hai phép o (v i ánh sáng và v i neutrino) s ăn kh p nhau. Chúng ta trông i s phù h p d a trên s hi u bi t hi n nay c a chúng ta v cách th c m t tr i chi u sáng. Nhưng, n u có m t ngu n năng lư ng khác n a – m t s quá trình mà cho t i nay chúng ta chưa bi t – thì các phép o v i neutrino và v i ánh sáng s khác nhau áng k . ó s là m t khám phá có tính cách m ng. T i sao m t quá lâu m i có l i gi i ? Bí n neutrino m t tr i còn thi u l n u tiên ư c ghi nh n vào năm 1968. S s ki n neutrino do Ray Davis quan sát trong máy dò h t c a ông ít hơn nhi u so v i giá tr tiên oán. Nhưng, mãi cho n năm 2001 thì a s các nhà v t lí m i b thuy t ph c r ng ngu n g c c a bí n neutrino m t tr i là m t s không th a áng trong mô hình chu n c a v t lí h t ch không ph i s th t b i c a mô hình lí thuy t chu n v cách th c m t tr i chi u sáng. 30 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
T i sao m t quá lâu thì a s các nhà v t lí m i b thuy t ph c r ng lí thuy t h t cơ b n sai ch không ph i thiên văn v t lí sai ? Trư c tiên, hãy l ng nghe nh ng l i gi i thích riêng c a h xem m t s nhà v t lí n i tr i nh t nói gì v neutrino còn thi u. Vào năm 1967, hai năm trư c bài báo l ch s c a ông v i Gribov v các dao ng neutrino ư c công b , Bruno Pontecorv ã vi t: “Th t áng ti c, s c n ng c a các ph n ng nhi t h ch a d ng trong m t tr i, và nhi t t i tâm m t tr i ư c bi t không y cho phép m t s so sánh có ích v s neutrino m t tr i mong i và s quan sát th y…” Nói cách khác, sai s trong mô hình m t tr i là quá l n nên chúng c n tr m t s gi i thích h u ích v các phép o neutrino m t tr i. Quan i m c a Bruno Pontecorvo ư c ng h hơn hai th p k sau ó khi vào năm 1990 Howard Georgi và Michael Luke vi t nh ng câu m u trong m t bài báo v các hi u ng v t lí h t có kh năng trong nh ng thí nghi m neutrino m t tr i: “Có kh năng nh t là bài toán neutrino m t tr i không có gì làm v i v t lí h t. Th t là m t thành công l n khi mà các nhà thiên văn v t lí có th tiên oán s neutrino 8B t i trong vòng h s 2 ho c 3…” C.N. Yang phát bi u vào hôm 11/10/2002, m t vài ngày sau khi trao gi i Nobel v t lí cho Ray Davis và Masatoshi Koshiba cho thành t u l n u tiên phát hi n ra neutrino vũ tr , r ng: “Tôi không tin vào các dao ng neutrino, ngay c sau nghiên c u nh c nh n c a Davis và phân tích c n th n c a Bahcall. Tôi tin r ng các dao ng không th ư c g i tên như th ”. Sidney Drell vi t trong m t b c thư cá nhân gi i thích g i cho tôi vào tháng 1 năm 2003 r ng “… thành công c a Mô hình Chu n (c a v t lí h t) quá t giá mà t b ”. Mô hình chu n c a v t lí h t là m t lí thuy t p ã ư c ki m nghi m và ưa ra ư c nh ng tiên oán chính xác trong hàng ngàn thí nghi m trong phòng thí nghi m. Mô hình m t tr i chu n, m t khác, bao hàm cơ s v t lí ph c t p trong nh ng i u ki n không quen thu c và chưa ư c ki m nghi m trư c ó n chính xác cao. Tuy nhiên, các tiên oán c a mô hình m t tr i chu n ph thu c nhi u vào các chi ti t c a mô hình, ví d như nhi t t i tâm m t tr i. Không ph i t h i t i sao các nhà khoa h c l i m t quá nhi u th i gian l i cho mô hình chu n c a v t lí h t ch không ph i mô hình chu n c a m t tr i. M t thành t u c ng ng b t ng Tôi th t s ng c nhiên khi nhìn tr l i cái ã hoàn thành trong lĩnh v c nghiên c u neutrino m t tr i trong b n th p k v a qua. Làm vi c cùng v i nhau, m t c ng ng qu c t g m hàng ngàn nhà v t lí, nhà hóa h c, nhà thiên văn h c, và các kĩ sư ã ch ra r ng vi c m các nguyên t phóng x trong m t cái h bơi ch a y ch t l ng s ch trong m t m sâu trên trái t có th cho chúng ta bi t nh ng i u quan tr ng v tâm c a m t tr i và v nh ng tính ch t © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 31
c a các h t cơ b n kì l g i tên là neutrino. N u tôi không s ng qua huy n tho i neutrino m t tr i, tôi s không tin i u ó là có th . Nguyên b n: Solving the Mystery of the Missing Neutrinos (nobelprize.org) hiepkhachquay d ch An Minh, Xuân M u Tý 2008 03/02/2008, 08:23:57 32 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay