Đo chính xác một loại dao động neutrino mới

Các nhà vật lí làm việc tại Thí nghiệm Neutrino Lò phản ứng Vịnh Daya ở Trung Quốc vừa thực hiện phép đo tốt nhất từ trước đến nay của một tính chất quan trọng của các neutrino – “góc trộn” θ₁₃, đại lượng mô tả mối liên hệ giữa những trạng thái mùi và khối lượng nhất định của neutrino. Thí nghiệm đã đo sin²2θ₁₃ bằng cách tính tốc độ các phản electron neutrino biến mất sau khi sinh ra trong một vào lò phản ứng hạt nhân. Các nhà nghiên cứu tìm thấy sin²2θ₁₃ bằng khoảng 0,092 với ý nghĩa thống kê 5,2σ – một mức độ tin cậy cao thường đi cùng với một “khám phá” trong cộng đồng vật lí hạt.

Giá trị tương đối lớn cho sin²2θ₁₃ khiến người ta dễ tiến hành các thí nghiệm neutrino đường cơ sở dài hơn, thành ra có thể cung cấp những manh mối quan trọng hướng đến giải quyết câu hỏi tại sao vật chất, chứ không phải phản vật chất, thống trị vũ trụ. Vịnh Daya là một chương trình hợp tác giữa 19 trường đại học Trung Quốc và 16 trường đại học Mĩ và là cơ cở khoa học quốc tế lớn nhất được xây dựng trên lãnh thổ Trung Quốc. Giai đoạn đầu của thí nghiệm đã hoàn tất hồi năm ngoái và giá trị đầu tiên này của sin²2θ₁₃ được suy luận ra từ dữ liệu thu được trong hơn 55 ngày bắt đầu từ tháng 12 năm ngoái.

Ba máy dò phản neutrino tại Hầm Ba thuộc Thí nghiệm Neutrino Lò phản ứng Vịnh Daya ở Trung Quốc. Ảnh: Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Thành công lớn

Neutrino có ba “mùi” – electron, muon và tau – và có thể biến đổi, hay “dao động”, giữa ba loại khác nhau đó. Tuy nhiên, các nhà vật lí còn tin rằng neutrino có thể được mô tả theo sự kết hợp của ba trạng thái khối lượng – m₁, m₂ và m₃. Sự giao thoa giữa ba trạng thái khối lượng này gây ra các dao động đã quan sát thấy của mùi neutrino – sau một khoảng thời gian nhất định, một electron neutrino có thể biến đổi thành một muon hoặc một tau neutrino, chẳng hạn.

Mặc dù các nhà vật lí đã đo được nhiều thông số mô tả hệ mùi/khối lượng này, nhưng sai số vẫn áp đảo trên θ₁₃, đó là một số đo mức độ kết hợp của các trạng thái khối lượng m₁ và m₃ trong các trạng thái mùi. Ba thí nghiệm khác – T2K ở Nhật Bản, MINOS ở Mĩ và Double Chooz ở Pháp – đều đã tiến hành những phép đo sơ bộ của sin²2θ₁₃, mỗi thí nghiệm đo theo một kiểu khác nhau, thu được giá trị tương ứng là 0,11; 0,04 và 0,086. Trong khi những phép đo này đều có ý nghĩa thống kê thấp hơn nhiều so với kết quả Vịnh Daya, nhưng chúng đều ăn khớp trong phạm vi sai số thực nghiệm.

Thí nghiệm Trung Quốc phát hiện các phản electron neutrino sinh ra qua sự phân hủy hạt nhân beta tại hai cơ sở hạt nhân ở gần đó – nhà máy điện hạt nhân Vịnh Daya và nhà máy điện hạt nhân Ling Ao. Nó có sáu máy dò hạt, đặc trong ba tầng hầm khác nhau dưới lòng đất để che chắn chúng trước bức xạ vũ trụ. Một tầng hầm ở tương đối gần nhà máy Vịnh Daya và Ling Ao, trong khi tầng hầm thứ ba ở xa hai lò phản ứng khoảng 2 km. Bằng cách so sánh thông lượng phản neutrino ghi được ở gần hai lò phản ứng với thông lượng đo được ở xa hơn, các nhà vật lí có thể tính ra tốc độ các phản neutrino biến mất khi chúng truyền đi trên Trái đất. Tốc độ này, cùng với những thông số neutrino đã biết, có thể dùng để tính ra sin²2θ₁₃.

“Mặc dù chúng tôi còn hai máy dò hạt nữa mới hoàn tất thiết kế thực nghiệm, nhưng chúng tôi đã hết sức thành công trong việc phát hiện ra số lượng phản electron neutrino biến mất khi chúng truyền từ lò phản ứng đến máy dò hạt ở xa 2 km,” phát biểu của Kam-Biu Luk thuộc trường Đại học California, Berkeley, người đứng đầu đội nghiên cứu người Mĩ.

Sự mất cân bằng vật chất-phản vật chất

Hervé de Kerret, phát ngôn viên cho thí nghiệm Double Chooz, hoan nghênh những kết quả mới trên, gọi chúng là “sự xác nhận tuyệt vời của phép đo của chúng tôi”. Ông cho biết giá trị tương đối cao của sin²2θ₁₃ báo trước cho các nhà vật lí lên kế hoạch triển khai các thí nghiệm đường cơ sở dài so sánh các tính chất của neutrino với phản neutrino. Một dự án như thế là Thí nghiệm Neutrino Đường cơ sở Dài (LBNE) đã được đề xuất bởi các nhà vật lí tại Fermilab ở Mĩ. LBNE sẽ gửi các neutrino và phản neutrino đi một quãng đường khoảng 13.000 km để tìm sự khác biệt tốc độ dao động của chúng. Một sự khác biệt như thế sẽ vi phạm Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt, lí thuyết kết hợp một sự đối xứng cơ bản giữa các hạt và phản hạt gọi là đối xứng CP (“điện tích-chẵn lẻ”).

Việc tìm kiếm cơ sở vật lí ngoài Mô hình Chuẩn sẽ đủ hào hứng, nhưng nếu sự vi phạm đối xứng CP được quan sát thấy ở neutrino, thì nó cho thấy những hạt nhỏ bé, gần như không có khối lượng này có thể làm lệch sự cân bằng giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ sơ khai – nhờ đó tạo ra vũ trụ do vật chất thống trị mà chúng ta thấy ngày nay. Các nhà vật lí tại Vịnh Daya sẽ lắp đặt hai máy dò phản neutrino mới vào cuối năm nay, chúng sẽ giúp tăng độ chính xác của giá trị sin²2θ₁₃ khi thí nghiệm bắt đầu thu thập dữ liệu trở lại.

Bản thảo của kết quả Daya có công bố tại arXiv.

Xuân Nguyễn – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com