Thí nghiệm lớn nhất thế giới về Neutrino

Vừa qua, các nhà khoa học Mỹ bắt đầu tiến hành một thí nghiệm quy mô lớn chưa từng thấy trong lịch sử về hạt Neutrino - một trong các hạt Hạ nguyên tử (subatomic) khó nắm bắt nhất trong thiên nhiên - với hệ thống thiết bị NOvA (NuMI Off-Axis Neutrino Appearance) gồm hai bộ thiết bị thăm dò (detector) khổng lồ đặt cách nhau 800km – khoảng cách xa nhất trong lịch sử các thí nghiệm cùng loại.

>>> Siêu hạt neutrino không thể nhanh hơn ánh sáng
>>> Đã có lời giải cho hạt neutrino 'ma quái'

Thí nghiệm này sử dụng chùm hạt Neutrino mạnh nhất thế giới được hình thành trong Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi (Fermi National Accelerator Laboratory, Fermilab). 208 nhà khoa học từ 38 cơ quan nghiên cứu ở Mỹ, Brazil, Czech, Hy Lạp, Ấn Độ, Nga và Anh tham gia nhóm hợp tác nghiên cứu NOvA.

Neutrino là một loại hạt cơ bản có vai trò cực kỳ quan trọng trong vật lý vi mô cũng như trong quá trình khởi đầu và quá trình diễn biến của vũ trụ vĩ mô. Nó cực kỳ nhỏ, hầu như không có khối lượng và có mặt ở khắp mọi chỗ. Mỗi giây có khoảng 65 tỷ Neutrino đi qua mỗi một xăngtimet vuông của Trái đất; hoặc mỗi giây có 100 nghìn tỷ Neutrino xuyên qua cơ thể chúng ta nhưng chúng không gây ra bất cứ tác dụng nào.

Thiết bị thăm dò đầu xa của thí nghiệm NOvA mất khoảng bốn năm để xây dựng

Neutrino được tạo ra trong vụ nổ Big Bang, chúng cũng có thể được hình thành ở bên trong Mặt trời và trong cơ thể chúng ta. Vì chúng chuyển động quá nhanh và khối lượng quá nhỏ, lại không tương tác với mọi dạng vật chất nên các nhà khoa học có nhiều khó khăn trong việc tóm bắt chúng.

Nhóm hạt Neutrino gồm ba hương vị (flavor): electron, muon và tau (tức ve, vμ, vτ) và chúng có thể chuyển hoán giữa các flavor đó; hiện nay còn chưa rõ tại sao lại có sự chuyển hoán này. Neutrino được giả định là một thành phần của vật chất tối (chiếm 22% vũ trụ) – một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ.

Thiết bị NOvA đặt trên tuyến chuyển động của chùm Neutrino phát ra từ Fermilab ở Batavia, Illinois. Thiết bị thăm dò đầu gần (near detector) nặng 300 tấn đặt dưới tầng ngầm Fermilab sẽ tiến hành quan trắc khi chùm hạt Neutrino đạt vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Thiết bị thăm dò đầu xa (far detector) nặng 14 nghìn tấn đặt tại một nơi hẻo lánh ở Ash River, Minnesota gần biên giới Mỹ-Canada sẽ tóm bắt các hạt Neutrino sau khi chúng vượt hành trình 800km xuyên qua lòng đất với tốc độ của ánh sáng, nhờ đó các nhà khoa học có thể phân tích chúng đã biến đổi ra sao trên quãng đường chuyển động xa như vậy.

Thiết bị này là kết cấu plastic lớn nhất thế giới hiện nay: dài 60m, cao 15m, rộng 15m. Hai thiết bị phải đặt cách nhau xa như vậy là để Neutrino có đủ thời gian chuyển hoán từ flavor này sang flavor khác.

Hai thiết bị nói trên chứa đầy một thứ chất lỏng nhấp nháy (scintillating liquid), nó sẽ phát sáng khi một neutrino tương tác với chất lỏng này. Cáp quang chuyển ánh sáng đó tới máy tính, máy tính sẽ tạo ra các hình ảnh 3D của tương tác này, qua phân tích hình ảnh đó các nhà khoa học sẽ có những hiểu biết mới về Neutrino.

Trong sáu năm tới, máy gia tốc vào loại lớn nhất thế giới của Fermilab sẽ phóng các chùm hạt Neutrino với tần suất mỗi giây vài chục nghìn tỷ hạt về phía hai thiết bị nói trên. Do hạt Neutrino hầu như không tương tác với mọi loại vật chất nên dự kiến mỗi ngày thiết bị thăm dò đầu xa chỉ có thể tóm bắt được một vài hạt Neutrino.

“NOvA đại diện cho một thế hệ mới các thí nghiệm về Neutrino. Chúng tôi tự hào vì đã tiến tới cột mốc quan trọng này trên con đường tìm hiểu hơn nữa về các hạt cơ bản” – Nigel Lockyer, Giám đốc Fermilab nói.