12
Những bài báo vật lí hay – Tập 1
| © hiepkhachquay
Neutrino năng lượng cao đến từ vũ trụ
Per Olof Hulth
Giới thiệu
Loài người đã nghiên cứu vũ trụ trong hàng nghìn năm bằng cách nhìn vào bầu trời đêm
huyền diệu, được chỉ dẫn bởi ánh sáng nhìn thấy phát ra từ hằng hà sa số ngôi sao và những hiện
tượng khác. Trong thế kỉ vừa qua, những hình ảnh mới của bầu trời đêm đã được các nhà khoa
học khám phá bằng các bước sóng khác nhau của ánh sáng mà mắt trần không thể nhìn thấy, ví
dụ như sóng vô tuyến, ánh sáng hồng ngoại, tia X và tia gamma. Mỗi lần những cánh cửa mới
trong bầu trời đêm được mở ra, thì những hiện tượng bất ngờ mới lại được khám phá, ví như nền
vi sóng từ thời Big Bang, các sao neutron, các lõi thiên hà hoạt động (AGN), các lỗ đen, các đợt
bùng phát tia gamma (GRB) và các đối tượng hấp dẫn khác. Ngày nay, các nhà khoa học đang
bắt đầu mở ra một cánh cửa hoàn toàn mới bằng cách sử dụng một hạt cơ bản khác, hạt neutrino,
thay cho photon, đó là hạt cơ bản của ánh sáng dùng để nghiên cứu vũ trụ. Lĩnh vực mới này có
tên gọi là thiên văn học neutrino, hi vọng sẽ vén màn những hiện tượng mới chưa biết và giúp
chúng ta trả lời một vài câu hỏi mà chúng ta đang có ngày nay.
Neutrino
Neutrino là một hạt cơ bản, được đưa ra vào năm 1930 bởi Wolfgang Pauli, người đoạt
giải Nobel vật lí năm 1945, để giải bài toán khủng hoảng năng lượng trong vật lí hạt nhân. Các
nhà khoa học đã gặp khó khăn khi tìm năng lượng trong các phân rã phóng xạ và Pauli đề xuất
sự tồn tại của một hạt mà ông tin là nó đã mang khỏi phần năng lượng thiếu hụt. Nhưng phải mất
nhiều năm trước khi neutrino được phát hiện. Clyde Cowan và Frederick Reines là những người
đầu tiên phát hiện và nhận ra hạt này vào năm 1965. Cho sự đóng góp của ông, Reines đã được
trao giải Nobel vật lí năm 1995.
Neutrino là một hạt khó hiểu không có điện tích và chỉ tương tác với vật chất qua lực hạt
nhân yếu. Trong những năm gần đây, người ta đã phát hiện thấy neutrino có một khối lượng nhỏ,
làm hạ bệ giả thiết trước đây rằng nó không có khối lượng. Trong mặt trời, vô số neutrino được
tạo ra trong quá trình nhiệt hạch khi bốn nguyên tử hydrogen chuyển hóa thành một nguyên tử
helium. Bất chấp số lượng lớn của neutrino, trung bình chỉ khoảng chừng một trong số này sẽ
tương tác với cơ thể người trong suốt một đời người. Dòng neutrino phát ra từ mặt trời tại bề mặt
trái đất là 6 x 1010 neutrino/cm2/s. Các neutrino phát ra từ quá trình nhiệt hạch trên mặt trời có
thể đi qua vài năm ánh sáng của chất chì rắn trước khi bị vật chất hấp thụ. Tuy nhiên, xác suất
cho một neutrino tương tác với vật chất tăng theo năng lượng của neutrino.
© hiepkhachquay | http://
www.thuvienvatly.com
13
Có ba loại neutrino đã được quan sát thấy: electron neutrino (νe), muon neutrino (νµ), và
tau neutrino (ντ). Các neutrino này liên quan tới ba hạt tích điện là electron, muon và hạt tau. Cả
sáu hạt đều gọi là lepton. Khi một neutrino tương tác với vật chất, nó có thể hoặc tiếp tục là
neutrino sau khi tương tác (“tương tác dòng trung hòa”) hoặc tạo ra hạt tích điện tương ứng
(“tương tác dòng tích điện”). Electron neutrino sinh ra electron, muon neutrino sinh ra muon, và
tau neutrino sinh ra lepton tau.
Một neutrino tương tác với một nguyên tử tạo ra một muon và một trận mưa các hạt có thời gian sống ngắn.
Trong một tương tác neutrino năng lượng cao, lepton tích điện sẽ tiếp tục hầu như theo
hướng cũ như neutrino tới. Trong vật chất, một electron được tạo ra trong tương tác sẽ dừng lại
sau vài mét, trong khi muon, với khối lượng lớn hơn của nó, sẽ tiếp tục đi thêm vài km tùy thuộc
vào năng lượng của nó. Xác định được hướng của muon sinh ra sẽ cho biết hướng của muon
neutrino trong vòng vài ba độ. Đây là chìa khóa để tìm hiểu thiên văn học neutrino năng lượng
cao.
Neutrino năng lượng cao và neutrino năng lượng thấp
Neutrino có thể chia thành hai loại, loại năng lượng cao và loại năng lượng thấp. Tất
nhiên, đây là một sự phân chia khá độc đoán, nhưng nó phản ánh quá trình tạo ra và cách thức
chế tạo máy dò hạt.
Neutrino năng lượng thấp chủ yếu sinh ra trong các quá trình hạt nhân, như các phản ứng
nhiệt hạch trên mặt trời hay tại tâm của sao siêu mới đang bùng nổ. Neutrino năng lượng cao chủ
yếu sinh ra trong các va chạm hạt năng lượng cao tạo ra các meson có thời gian sống ngắn, phân
hủy thành neutrino và các hạt khác.
Trong thang chia vật lí hạt, các neutrino năng lượng thấp có năng lượng trong khoảng
hàng chục MeV (mega electron Volt), còn các neutrino năng lượng cao có năng lượng trên hàng
chục GeV (giga electron Volt).
Các nguồn neutrino
Neutrino mặt trời
Từ trước đến nay, chỉ có hai nguồn neutrino ngoài địa cầu được quan sát thấy. Cả hai đều
là nguồn neutrino năng lượng thấp. Nguồn thứ nhất là mặt trời mà từ đó Raymond Davis Jr,
người đoạt giải Nobel vật lí năm 2002, đã thành công trong việc bắt trung bình nửa tương tác
electron neutrino mỗi ngày trong máy dò hạt của ông trong suốt 20 năm.
14
Những bài báo vật lí hay – Tập 1
| © hiepkhachquay
Neutrino sao siêu mới
Nguồn thứ hai của các neutrino ngoài địa cầu được quan sát thấy trong 10 s vào năm
1987 khi một ngôi sao trong Đám mây Magellan Lớn bùng nổ dưới dạng sao siêu mới, sau này
mang tên là SN1987. Các neutrino phát ra từ phần bên trong của sự co sập lại chạm đến trái đất
sau hành trình 170.000 năm, một vài giờ trước khi ánh sáng tới. Các neutrino có thể truyền thẳng
ngay hay kém trực tiếp hơn từ trung tâm co sập ở phần bên trong của ngôi sao, nhưng tác động
của vụ nổ không thể nhìn thấy ở bề mặt ngôi sao mãi cho đến sau này. Khoảng 25 tương tác
neutrino đã được quan sát thấy bởi các máy dò hạt tại Kamiokande (Nhật Bản), Baksan (Liên Xô)
và IMB (Mĩ) trong suốt 10 s. Loại quan sát này của các neutrino phát ra từ mặt trời và sao siêu
mới đã đưa ra một loại thiên văn học mới, vì neutrino cung cấp cho chúng ta thông tin về những
quá trình xảy ra ở sâu bên trong các vật bị ẩn mất khi nhìn bằng ánh sáng khả kiến hay photon
nói chung.
Tinh vân Con cua là tàn dư của một vụ bùng nổ sao siêu mới năm 1054. Trong đợt bùng phát khủng khiếp, 99%
năng lượng được giải phóng dưới dạng các neutrino không nhìn thấy.
Neutrino phát ra từ các nguồn tia vũ trụ không xác định
Một luận cứ chắc chắn cho sự tồn tại của các neutrino năng lượng cao đến từ vũ trụ là sự
quan sát thấy các tia vũ trụ năng lượng cao.
Các hạt cấu thành hạt nhân, chúng truyền qua không gian sâu thẳm trong nhiều triệu năm,
liên tục bắn phá bầu khí quyển của trái đất. Khi va chạm với khí quyển của trái đất, các hạt đó
sinh ra những trận mưa với nhiều hạt có thời gian sống ngắn. Tại bề mặt trái đất, chúng ta quan
sát thấy tàn dư của các trận mưa hạt dưới dạng khoảng 100 muon/m2/s. Các máy dò hạt bề mặt
rất lớn ngày nay đang đo cường độ và năng lượng của các tia vũ trụ. Dù cho đã khám phá ra tia
vũ trụ sớm tận năm 1912 bởi Victor Hess, người đoạt giải Nobel vật lí năm 1936, chúng ta vẫn
không biết chúng đến từ đâu. Chúng ta trông đợi đa số các hạt được tạo ra trong các vụ bùng nổ
sao siêu mới trong thiên hà cục bộ của chúng ta, nhưng các hạt tia vũ trụ có năng lượng quan sát
thấy cao nhất được cho là đến từ các nguồn không xác định bên ngoài thiên hà của chúng ta. Các
tia vũ trụ quan sát thấy năng lượng cao nhất có năng lượng 50 joule. Quá trình gia tốc mang lại
cho các hạt những năng lượng cực cao này không được rõ. Cả hai nguồn đã kể đều không phải là
© hiepkhachquay | http://
www.thuvienvatly.com
15
nguồn phát ra các hạt này. Năng lượng của các hạt tia vũ trụ cao nhất lớn hơn mười triệu lần so
với cái do máy gia tốc hạt mạnh nhất của thế giới LHC (Máy Va chạm Hadron Lớn) sẽ có khả
năng đạt tới khi nó bắt đầu hoạt động trong năm 2007 tại CERN, Geneva. Nếu người ta muốn
“xây dựng” một máy gia tốc cho proton với cùng năng lượng như các tia vũ trụ cao nhất trên cơ
sở các nam châm siêu dẫn LHC, thì kích thước của máy gia tốc sẽ lớn hơn quỹ đạo của trái đất
xung quanh mặt trời (LHC có chu vi 27 km). Vì tia vũ trụ tích điện nên chúng sẽ bị lệch hướng
bởi từ trường trong không gian. Điều này có nghĩa là hướng của tia vũ trụ không cho biết ngược
hướng của nguồn phát. Để phát hiện ra nguồn phát, người ta cần một hạt trung hòa điện như
neutrino không bị ảnh hưởng bởi từ trường. Tia vũ trụ với năng lượng hơn 10% cực đại năng
lượng quan sát thấy sẽ tương tác với nền vi sóng từ Big Bang và sẽ không thể truyền đi những
khoảng cách xa trong vũ trụ. Nguồn phát ra nó phải “gần”, không xa hơn 50 triệu năm ánh sáng,
đó là khoảng cách rất “ngắn” trong vũ trụ. Sự tồn tại của các tia vũ trụ năng lượng cực cao này là
một bí ẩn thật sự. Khi các proton va chạm với các photon nền vi sóng, các meson được tạo ra,
trong sự phân hủy của chúng sẽ sản sinh ra các neutrino năng lượng cao. Những hạt này được gọi
là neutrino GKZ (đặt theo tên Greisen, Zatseptin, và Kuzmin) và là nguồn bảo đảm của các
neutrino năng lượng cao ngoài địa cầu.
Các photon còn có xác suất bị hấp thụ bởi các photon nền vi sóng lớn hơn cả proton, điều
đó ngụ ý rằng vũ trụ không phải là trong suốt đối với các photon năng lượng rất cao.
Ảnh chụp tia X Centaurus A bằng vệ tinh Chandra. Cái đặc biệt với đối tượng này là lỗ đen tại tâm và dòng vật chất
hướng về phía góc trên bên trái của hình. Đây có phải là một nguồn phát neutrino năng lượng cao ?
Có vài ứng cử viên khả dĩ cho các nguồn phát tia vũ trụ năng lượng cao nhất. Hạt nhân
thiên hà hoạt động (AGN) là một thiên hà có một lỗ đen siêu trọng tại tâm. Lỗ đen đó có thể có
khối lượng lên tới một nghìn triệu lần khối lượng mặt trời. Từ tâm của những thiên hà này, một
cấu trúc dạng tia đã được quan sát thấy kéo dài hàng chục nghìn năm ánh sáng ra bên ngoài, phát
ra những lượng lớn năng lượng. Tia đó được tạo ra khi vật chất trong thiên hà rơi vào trong lỗ
đen. Các photon năng lượng cao đã được quan sát thấy từ những vật thể này và các proton cũng
được gia tốc. Một nguồn khả dĩ khác là những đợt bùng phát tia gamma (GRB) là những sự kiện
kì lạ phát ra một xung ngắn tia gamma trong một phần của giây và cho tới 100 s. Chúng là những
sự kiện giàu năng lượng tính nhất được quan sát thấy trong vũ trụ. Khoảng hai sự kiện như thế
xảy ra mỗi ngày. Chúng ở rất xa, với khoảng cách lên tới 1010 năm ánh sáng. Lời giải thích khả
16
Những bài báo vật lí hay – Tập 1
| © hiepkhachquay
dĩ của những sự kiện này là các sao siêu trọng co sập lại thành lỗ đen hoặc hai sao neutron rơi
vào nhau. Các nguồn không rõ của các tia vũ trụ năng lượng cao sẽ tạo ra neutrino khi các proton
năng lượng cao được gia tốc va chạm với chất khí photon xung quanh nguồn, theo kiểu tương tự
như nền vi sóng vũ trụ. Các va chạm sẽ tạo ra meson, chúng phân hủy thành muon và neutrino và
muon sẽ phân hủy thành electron (positron) và hai neutrino. Những hạt neutrino này sẽ truyền đi,
không bị ảnh hưởng bởi từ trường trong không gian và nếu phát hiện được trên trái đất, chúng sẽ
chỉ ngược hướng nguồn phát ra các tia vũ trụ.
Dòng neutrino vũ trụ có thể ước tính từ sự quan sát tốc độ tia vũ trụ năng lượng cao và
người ta sẽ nhận thấy mình cần những máy dò hạt có kích thước hàng km3 để bắt các neutrino!
Neutrino từ “vật chất tối”
Các neutrino năng lượng cao, mặc dù không cao như neutrino đề cập trong phần trước, có
thể sinh ra liên quan tới một quan sát kì lạ khác. Một trong những bí ẩn chủ yếu trong vật lí học
và thiên văn học ngày nay là “vật chất tối” trong vũ trụ. Các thiên hà và nhóm thiên hà quay như
thể chúng chứa nhiều vật chất hơn cái chúng ta có thể quan sát với các thiết bị thiên văn chuẩn
của chúng ta. Với chỉ vật chất khả kiến được quan sát thấy, các thiên hà sẽ tống khứ những ngôi
sao và vật chất ra ngoài không gian trống rỗng do chuyển động nhanh của chúng. Nhưng điều
này không xảy ra, cho thấy có nhiều vật chất trong những đối tượng này hơn cái chúng ta có thể
nhìn thấy. Chỉ có lực hấp dẫn là thứ cảm nhận được vật chất ẩn giấu không rõ này. Thứ vật chất
này được gọi là “vật chất tối”. Khoảng 30% năng lượng trong vũ trụ là nằm ở vật chất và phần
còn lại nằm ở dạng “năng lượng tối” không rõ, cái chúng ta sẽ không bàn tới trong bài viết này.
Những đo đạc gần đây do vệ tinh WMAP thực hiện cho thấy chỉ 4% năng lượng của vũ trụ là
cấu thành từ vật chất thông thường ở dạng các nguyên tử cấu tạo nên những ngôi sao và hành
tinh. Phần còn lại, chiếm 25% năng lượng toàn phần, là một loại vật chất mới cho tới nay chưa
biết.
Cụm thiên hà NGC2300 với ba thiên hà và một đám mây khí. Để giữ hệ thống ổn định về mặt hấp dẫn,
cần có khối lượng gấp khoảng 20 lần khối lượng quan sát thấy.
Một lời giải thích phổ biến khác của vật chất tối là phần lớn loại vật chất khác lạ này gồm
các hạt nặng tương tác yếu (WIMP) được tạo ra trong Big Bang đồng thời với vật chất thông