Những cỗ máy khổng lồ tìm kiếm hạt ma khắp thế giới

"Hạt ma" là tên các nhà vật lý gọi neutrino. Nó gần như không có khối lượng, di chuyển với vận tốc ánh sáng và chưa được chính thức xác nhận tồn tại sau ba thập kỷ.

Theo Business Insider, tìm ra loại hạt này sẽ giúp các nhà vật lý trả lời hàng chục câu hỏi quan trọng về vũ trụ, bao gồm tại sao vũ trụ lại được vật chất lấp đầy.

Neutrino được tạo ra khi các nguyên tố phóng xạ phân rã. Nó được phun ra từ Mặt Trời, các ngôi sao và kể cả cơ thể chúng ta. Nó có thể đi xuyên qua một lượng lớn vật chất khác. Chính vì thế nên cần các thí nghiệm rất lớn để phát hiện được nó.

GEDRA

Trong ảnh là cỗ máy Germanium Detector Array (GEDRA) giúp tìm hiểu tại sao con người tồn tại. (Ảnh: Kai Freund/University of Tübingen)

GEDRA tìm kiếm neutrino bằng cách giám sát các hoạt động điện xảy ra bên trong tinh thể Germani tinh khiết, được cô lập bên dưới sâu một ngọn núi ở Italy. Các nhà khoa học hy vọng có thể tìm thấy một dạng phóng xạ hiếm.

Khi Big Bang khai sinh vũ trụ cách đây 13,7 tỷ năm, một lượng vật chất và phản vật chất tương đương đã được sinh ra. Khi chúng va chạm sẽ triệt tiêu nhau, chỉ để lại năng lượng.

Tuy nhiên, thực tế là con người vẫn hiện hữu. Nếu các nhà khoa học phát hiện được phân rã phóng xạ mà họ đang tìm kiếm, có thể cho rằng neutrino vừa là hạt vừa là phản hạt cùng một lúc, sẽ giải thích được tại sao vũ trụ vẫn có nhiều vật chất và tại sao chúng ta tồn tại tới ngày nay.

SNO+

Đài quan sát Sudbury Neutrino (SNO) nghiên cứu mọi thứ về neutrino. (Ảnh: SNOLAB)

SNO được chôn sâu khoảng 1,5 km dưới lòng đất. Ban đầu nó được xây dựng vào những năm 1980 nhưng sau đó đã được nâng cấp để tạo thành SNO+.

SNO+ sẽ nghiên cứu neutrino từ Trái Đất, Mặt Trời và thậm chí cả siêu tân tinh. Tại tâm của nó là một quả cầu bằng nhựa khổng lồ chứa 800 tấn một chất lỏng đặc biệt gọi là chất lỏng phát sáng. Quả cầu được bao quanh bởi một lớp nước và được giữ cố định bằng các sợi dây thừng. Nó được giám sát bởi một dãy khoảng 10.000 máy dò ánh sáng cực nhạy, gọi là các ống nhân quang (PMTs).

Khi neutrino tương tác với các hạt khác trong máy dò, chúng sẽ làm chất lỏng phát sáng và PMTs sẽ bắt được các tín hiệu này.
Nhờ vào máy dò SNO ban đầu, các nhà khoa học đã biết có ít nhất 3 loại neutrino khác nhau, có thể thay đổi qua lại khi chúng tăng tốc trong không gian.

Ba trạng thái của neutrino: electron, muon và tau, mỗi trạng thái là kết hợp của ba khối lượng duy nhất. (Ảnh: Kamioka Observatory/ICRR/University of Tokyo)

IceCube

IceCube, máy dò neutrino lớn nhất thế giới. (Ảnh: Ian Rees/IceCube/NSF)

IceCube được đặt tại Nam Cực, sử dụng 5.160 cảm biến phân bố trên một tỷ tấn băng đá để phát hiện neutrino năng lượng cao từ các nguồn vũ trụ cực mạnh như ngôi sao phát nổ, hố đen, và sao neutron.

Khi neutrino va chạm vào phân tử nước trong băng, chúng tạo nên các vụ phun trào năng lượng cao của các hạt hạ nguyên tử có thể bao phủ tới 6 khu phố, theo báo cáo của Symmetry. Những hạt này sẽ di chuyển rất nhanh và phát ra các nón ánh sáng hẹp, gọi là bức xạ Cherenkov. Đây là tín hiệu mà IceCube sẽ thu được.

Các nhà khoa học hy vọng sẽ sử dụng được thông tin này để tái tạo quỹ đạo neutrino và xác định nguồn phát ra chúng.

Daya Bay

(Ảnh: Roy Kaltschmidt/Lawrence Berkeley National Laboratory)

Daya Bay là một thí nghiệm neutrino sử dụng ba phòng thí nghiệm được chôn trên đồi Daya Bay, Trung Quốc. 6 máy dò hình trụ, mỗi cái chứa 20 tấn chất lỏng phát sáng được tập hợp trong phòng lớn, bao quanh bởi khoảng 1.000 PMTs. Tất cả được nhúng ngập trong nước tinh khiết để ngăn chặn bất kỳ bức xạ nào ở xung quanh.

Gần đó là 6 lò phản ứng hạt nhân đang phát ra "hàng triệu nghìn triệu triệu phản neutrino eletron vô hại mỗi giây". Dòng phản neutrino này sẽ tương tác với chất lỏng phát sáng và phát ra các chớp sáng ngắn, là tín hiệu mà PMTs sẽ thu được.

Daya Bay được xây dựng để nghiên cứu dao động neutrino. Cũng giống như neutrino, các phản neutrino cũng thay đổi trạng thái. Các nhà khoa học tại Daya Bay đang cố gắng để tìm ra bao nhiêu phản neutrino không bị các máy dò xa nhất phát hiện vì đã thay đổi trạng thái.

Super K

Super-Kamiokande (Super K) phát hiện các dạng neutrino. (Ảnh: Kamioka Observatory/ICRR/The University of Tokyo)

Super K là một đài quan sát neutrino nằm dưới sâu khoảng 1 km bên dưới những ngọn núi phía tây Nhật Bản. Một máy dò khổng lồ chứa 50.000 tấn nước tinh khiết được bao quanh bởi 11.200 PMTs.

Tương tự như IceCube, Super K phát hiện ra neutrino bằng cách sử dụng bức xạ Cherenkov. Super K đã từng đánh bại SNO vào năm 1998 khi là đài quan sát đầu tiên tìm thấy các bằng chứng về neutrino dao động giữa các trạng thái, còn cho thấy các hạt này cũng có khối lượng.

Các nhà nghiên cứu đang bắn một chùm neutrino dài gần 2.900 km tới máy dò để tìm hiểu sâu hơn về các dao động này. Trong một thí nghiệm khác, thí nghiệm neutrino dưới sâu (DUNE) các nhà khoa học có kế hoạch bắn một chùm neutrino dài khoảng gấp 5 lần khoảng cách này.

Thí nghiệm DUNE. (Ảnh: DUNE Science.)