Cuộc đua giải mã hạt ma giữa Mỹ và Trung Quốc

Hai đài quan sát đang xây dựng Mỹ và Trung Quốc có thể hỗ trợ và cạnh tranh với nhau trong nỗ lực giải đáp những câu hỏi về hạt neutrino bí ẩn.

Khối cầu ở đài quan sát Juno tại tỉnh Quảng Đông, Trung Quốc. Ảnh: NBC

Trong một hang động đá granite sâu bên dưới những ngọn đồi ở miền nam Trung Quốc, công nhân sẽ sớm hoàn thiện khối cầu 600 tấn có thể lý giải một số bí ẩn lớn nhất của vật lý hiện đại. Khối cầu bằng nhựa nhiệt dẻo plexiglass là trung tâm của Đài quan sát neutrino dưới lòng đất Giang Môn (JUNO), cơ sở trị giá 300 triệu USD được thiết kế để đo neutrino, hạt hạ nguyên tử nhỏ nhất mà các nhà vật lý từng biết đến, theo NBC.

Đôi khi được gọi là "hạt ma", neutrino vô hình, gần như không có khối lượng và di chuyển ở tốc độ gần bằng vận tốc ánh sáng. Chúng bao gồm 3 loại, loại lớn nhất trong số đó ước tính bằng một phần triệu khối lượng của một electron. Neutrino có thể bay xuyên qua Trái Đất và vật chất khác mà không tương tác. Đó là lý do chúng rất bí ẩn với giới vật lý. Tìm hiểu về neutrino sẽ giúp giải mã sự mất cân bằng khó hiểu của thuyết Big Bang. Theo mô hình vật lý chuẩn, sự kiện đó đáng lẽ phải tạo ra lượng vật chất và phản vật chất cân bằng. Nhưng vật chất dồi dào hơn nhiều và các nhà khoa học vẫn chưa biết rõ nguyên nhân.

Mục tiêu của JUNO và nhiều đài quan sát neutrino khác dự kiến hoạt động trong những năm tới là đo chênh lệch trong khối lượng của neutrino. Do hạt này quá nhỏ, rất khó thực hiện điều đó chính xác. JUNO được xây ở độ sâu 700 m bên dưới mặt đất, do đó bảo vệ hạt neutrino cần nghiên cứu khỏi tác động của tia vũ trụ. Để tới khối cầu của đài quan sát, cần di chuyển bằng toa cáp treo ở tốc độ khoảng 6,4 km/h dọc theo một đường hầm dài dốc vào hang động đá granite. Trước khi bắt đầu hoạt động vào năm sau, khối cầu và khu vực dưới lòng đất xung quanh đó sẽ được bịt kín và đổ đầy chất lỏng.

Toa cáp treo chạy xuống khối cầu của đài Juno trong khoảng 15 phút. Ở cuối đường hầm, khách tham quan được phát mũ cứng và đồ liền thân màu trắng hoàn toàn cùng với ủng cao su. Sau đó, mỗi người đi qua buồng khử trùng. Bên trong hang động đặt khối cầu, công nhân mang đèn pin leo lên thanh vịn và dầm để lau dọn vết bẩn.

Hàng nghìn tỷ neutrino bay qua cơ thể người mỗi giây. Mặt Trời tạo ra chúng thông qua phản ứng nhiệt hạch và các nhà máy điện hạt nhân cũng vậy. Một số đến từ vụ nổ siêu tân tinh trong vũ trụ. Neutrino tạo thành cặp với hạt phản neutrino. JUNO được thiết kế để thu thập hạt phản neutrino phát ra từ hai nhà máy điện hạt nhân cách đài quan sát 53,1 km. Khối cầu cao bằng 13 tầng nhà của JUNO chứa đầy chất lỏng đặc biệt gọi là chất phát sáng nhấp nháy, nhúng chìm trong bể nước tinh khiết, theo Wang Yifang, người chỉ đạo dự án kiêm giám đốc Viện vật lý năng lượng cao Trung Quốc.

Khi hạt phản neutrino tiếp xúc với chất lỏng, chúng kích hoạt quá trình hóa học tạo ra ánh sáng chớp nhoáng mà cảm biến bao phủ khối cầu có thể thu lại. Theo Wang, chớp sáng chỉ kéo dài khoảng 5 nano giây, vì vậy các nhà nghiên cứu hy vọng có thể ghi lại khoảng 60 sự kiện như vậy mỗi ngày bằng hàng nghìn đèn nhân quang điện xung quanh khối cầu. Với cách tiếp cận đó, JUNO có thể đo khác biệt trong khối lượng của hạt phản neutrino tốt gấp 10 lần so với thiết bị trước đây.

JUNO là một phần trong tham vọng của Trung Quốc nhằm trở thành một cường quốc khoa học. Đây sẽ là đài quan sát đầu tiên trong số 3 đài quan sát neutrino thế hệ mới mở cửa trong 10 năm tới. Ở Nhật Bản, đài quan sát Hyper - Kamiokande được lên lịch hoạt động năm 2027. Một chương trình của Mỹ mang tên Thí nghiệm neutrino dưới lòng đất sâu (DUNE) sẽ bao gồm một máy gia tốc hạt truyền chùm neutrino xuống lòng đất từ Illinois tới Nam Dakota, bắt đầu từ năm 2031. Ba đài quan sát đều lên kế hoạch sử dụng những công nghệ khác nhau để dò hạt ma, vì vậy chúng có thể hỗ trợ và cạnh tranh với nhau.

Công trường xây dựng đài quan sát Dune dưới lòng đất. Ảnh: Matthew Kapust

Nhóm chuyên gia ở Fermilab muốn nghiên cứu neutrino ở mức độ chi tiết chưa từng có với DUNE. Đó là lý do DUNE sẽ sở hữu những máy dò neutrino lớn nhất từng được chế tạo. Sau khi hoàn thành, thí nghiệm sẽ bắt đầu với một loạt máy gia tốc hạt tại cơ sở của Fermilab bên ngoài Chicago, Illinois. Các máy gia tốc sẽ bắn một chùm hạt neutrino cực mạnh qua máy dò ở Fermilab. Chùm hạt sau đó sẽ di chuyển dưới lòng đất qua 1.287 km tới máy dò ở Cơ sở nghiên cứu dưới lòng đất Sanford Nam Dakota.

Theo dõi neutrino thay đổi như thế nào qua khoảng cách dài như vậy giữa Illinois và Nam Dakota sẽ giúp giới khoa học hiểu rõ hơn về dao động. Việc tiến hành thí nghiệm ở độ sâu 1,6 km dưới lòng đất bảo vệ những hạt dao động mong manh trước tia vũ trụ chứa năng lượng liên tục dội xuống bề mặt Trái Đất mỗi giây, đe dọa ảnh hưởng tới dữ liệu.

Các nhà khoa học hy vọng có thể giải đáp 3 câu hỏi chính với DUNE: tại sao vũ trụ cấu tạo từ vật chất thay vì phản vật chất, điều gì xảy ra khi một ngôi sao sụp đổ và proton có phân rã hay không. Chùm hạt của DUNE được thiết kế để tạo ra cả neutrino và phản neutrino. Quan sát dao động ở mỗi loại có thể giúp nhà nghiên cứu đoán được điều gì xảy ra với mọi phản vật chất.

Wang muốn JUNO giành phần thắng trong cuộc đua với Mỹ và các nước khác nhằm xác định thứ bậc khối lượng của neutrino. Nếu JUNO có thể lý giải khối lượng của neutrino trước khi DUNE hoạt động, dự án của Mỹ sau đó có thể đo theo cách khác và xác nhận kết quả của JUNO.

An Khang (Theo Yahoo)