Các nhà vật lí đang làm việc tại Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso ở Italy vừa phát hiện ra các phản neutrino electron sinh ra bởi những phân rã phóng xạ bên trong lớp vỏ và lớp bao của Trái đất. Kết quả này xây dựng trên bằng chứng trước đây cho những ‘neutrino địa cầu’ như thế thu được bởi một thí nghiệm Nhật Bản cách nay đã 5 năm và đặt nền tảng cho những phép đo trực tiếp mới của những quá trình xảy ra ở sâu bên trong hành tinh chúng ta.
Quả cầu thép không gỉ Borexino lúc đang xây dựng. (Ảnh: Borexino)
Lâu nay các nhà vật lí đã nghiên cứu neutrino phát ra bởi Mặt trời và tạo ra bởi tia vũ trụ đi vào bầu khí quyển Trái đất. Những quan sát này đã cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về vật lí học mặt trời và tiết lộ rằng các neutrino – những hạt cơ bản không tích điện, cực kì trơ lì – có một khối lượng rất nhỏ. Lí thuyết còn dự báo rằng neutrino, hay chính xác hơn là phản neutrino electron, được tạo ra bên trong Trái đất bởi sự phân rã phóng xạ của những hạt nhân nhất định. Việc đo thông lượng neutrino địa cầu này sẽ tiết lộ có bao nhiêu năng lượng sinh ra bên trong Trái đất do sự phân rã phóng xạ và có thể tăng cường sự hiểu biết của chúng ta về những quá trình phụ thuộc vào năng lượng đó, thí dụ như các mảng kiến tạo và sự phát sinh từ trường của Trái đất.
Tuy nhiên, việc phát hiện ra neutrino là cực kì khó khăn. Cho dù là loại neutrino nào, việc quan sát chúng đòi hỏi những thể tích chất liệu rất lớn của máy dò và một địa điểm ở sâu trong lòng đất để cản trở sự gây nhiễu từ tia vũ trụ. Nhưng không giống như các neutrino mặt trời và khí quyển năng lượng cao hơn, neutrino địa cầu không thể nghiên cứu qua tương tác của chúng với hạt nhân của nước nặng, vì tín hiệu của chúng sẽ bị nhận chìm bởi sự phóng xạ trong chất lỏng này. Thay vào đó, người ta dùng những loại hydrocarbon nhất định, trong đó những neutrino đi qua thỉnh thoảng có thể va chạm với một proton để tạo ra một positron và một neutron và đồng thời sinh ra sự phát xạ tia gamma kép dễ nhận ra, chúng tạo ra ánh sáng có thể phát hiện được.
Năm 2005, các nhà nghiên cứu làm việc với thí nghiệm KamLAND, sâu 1km bên dưới lòng đất ở Nhật Bản, đã báo cáo về neutrino địa cầu trong máy dò hạt của họ. Tuy nhiên, khi làm như vậy, đội nghiên cứu phải tách tín hiệu ra khỏi một nền nhiễu mạnh của sự phát xạ phản neutrino tạo ra bởi một số lò phản ứng hạt nhân nằm gần đó (địa điểm được chọn có chủ ý nhằm nghiên cứu các phản neutrino lò phản ứng).
Mức nhiễu nền rất thấp
Tuy nhiên, thí nghiệm Borexino được thiết kế để nghiên cứu neutrino mặt trời năng lượng thấp và do đó có mức nhiễu nền rất thấp. Đặt sâu 1,5 km dưới rặng núi Gran Sasso, nó cách xa lò phản ứng hạt nhân gần nhất đến hàng trăm km.
Neutrino được phát hiện ra trong chừng 300 tấn hydrocarbon pha tạp gọi là pseudocumene đựng trong một quả cầu nylon, dìm trong 1000 tấn pseudocumene tinh khiết đựng kín trong một quả cầu thép không gỉ, quả cầu này được bao quanh bởi 2400 tấn nước tinh khiết cao giữ trong một bình chứa bằng thép nữa có đường kính 18 m. Tất cả mọi bộ phận – bao gồm môi trường dò tìm, các chất lỏng và các ống nhân quang dùng để ghi lại các tín hiệu tia gamma – được chọn có mức độ phóng xạ nội tại càng thấp càng tốt.
Thí nghiệm chạy trong hai năm kết thúc vào tháng 12, 2009 và chương trình Borexino (gồm khoảng 80 nhà nghiên cứu đến từ 6 nước) cho biết đã phát hiện ra 9,9 sự kiện neutrino địa cầu, với sai số từ + 4,1 đến – 3,4. Phát ngôn viên Gianpaolo Bellini thuộc trường đại học Milan nói kết quả trên có vẻ cũng bác bỏ một giả thuyết gây tranh cãi rằng một phần lớn nhiệt của Trái đất được sinh ra bởi một lò phản ứng hạt nhân xuất hiện tự nhiên được cấp nguồn bằng uranium nằm trong lõi của hành tinh.
Không có bằng chứng cho ‘lò phản ứng địa cầu’
Một “lò phản ứng địa cầu” như thế sẽ phát ra các phản neutrino electron với sự phân bổ năng lượng đại khái giống như các hạt phát ra bởi các nhà máy điện hạt nhân, nhưng các nhà nghiên cứu Borexino nhận thấy thí nghiệm trên phát hiện ra nhiều phản neutrino đúng như trông đợi khi chỉ tính riêng từ phía các nhà máy điện.
Bellini nói các kết quả Borexino mang lại sự phát hiện thật sự đầu tiên của neutrino địa cầu, và các kết quả thu được bởi KamLAND thay vào đó là một “chỉ dẫn” mà thôi. Tuy nhiên, phát ngôn viên KamLAND Atsuto Suzuki tại phòng thí nghiệm KEK Nhật Bản lại nhận xét khác. Ông chúc mừng nhóm Borexino đã có được những kết quả “tuyệt vời” nhưng ông nói rằng chẳng có “sự khác biệt có ý nghĩa nào” giữa những kết quả này và tập báo cáo mà nhóm ông đã công bố cách đây hai năm. “Số sự kiện neutrino địa cầu quan sát được là 73 ± 27 đối với KamLAND vào năm 2008 và là .9 ± 4.1–3.4 đối với Borexino. Điều này cho bạn biết tất cả. Các nhà vật lí sẽ hiểu việc sử dụng các từ như ‘dấu hiệu’ với ‘quan sát’ là có quan trọng hay không”, ông nói.
Bất chấp những cách hiểu khác nhau, cả Bellini lẫn Suzuki đều đồng ý rằng cần có thêm nhiều dữ liệu nữa. Thật vậy, có một số thí nghiệm quy mô lớn hơn hiện đang trong giai đoạn lên kế hoạch, trong đó có một detector 10.000 tấn sẽ được lắp dưới đáy Thái Bình Dương để thực hiện những phép đo chính xác hơn về neutrino địa cầu đến từ lớp bao của trái đất (vì lớp vỏ rất mỏng ở dưới Thái Bình Dương).
"KamLAND và Borexino chứng minh cho tiềm năng của các neutrino địa cầu đối với việc khảo sát thành phần đất đá và năng lượng phóng xạ, đưa đến một sự hiểu biết tốt hơn về nguồn gốc và sự tiến triển nhiệt của hành tinh chúng ta”, phát biểu của Stephen Dye thuộc trường đại học Hawaii Pacific và đại học Hawaii. “Nhờ những phép đo tiên phong này, chúng ta có thể lên kế hoạch cho những dự án khảo sát những câu hỏi đó một cách chi tiết”.
Theo physicsworld.com
