Một cơn mưa liên tục gồm những hạt hạ nguyên tử trút xuống từ không gian vũ trụ. Một trăm năm trước, “bức xạ vũ trụ” này đã được khám phá ra bởi nhà vật lí người Áo Victor Franz Hess. Cùng với những đóng góp khác, khám phá của ông đã đặt nền tảng cho một lĩnh vực nghiên cứu mới: vật lí năng lượng cao – ngành nghiên cứu mới đây, chẳng hạn, đã cung cấp cho chúng ta bằng chứng thực nghiệm đầu tiên cho boson Higgs. Một hội nghị kỉ niệm sẽ được tổ chức để ôn lại những cột mốc lịch sử của lĩnh vực nghiên cứu tia vũ trụ và những thí nghiệm trong tương lai.
Khi Hess cho quả khí cầu hydrogen của ông tiếp đất tại Bad Saarow ở bang Brandenburg, Đức, vào giờ ăn trưa ngày 7 tháng 8 năm 1912, ông đã có trong tay một khám phá với những hệ quả vươn xa, cái chắc chắn lúc ấy ông chưa nhận thức hết được. Vào chuyến bay khí cầu thứ bảy của ông trong năm này, được trang bị ba thiết bị đo ion hóa, Hess đã nhận ra một bức xạ tỏa khắp ở độ cao 5300 mét phía trên hồ Schwieloch ở đông nam Brandenburg. Chỉ sau này thì người ta mới rõ cái gọi là bức xạ vũ trụ này chủ yếu gồm những hạt nhân nguyên tử tích điện, mang năng lượng cao. Khám phá ra tia vũ trụ đã mang về cho Hess Giải Nobel Vật lí 24 năm sau đó.
Victor F Hess ngồi trong rỗ khí cầu, khoảng năm 1911-1912. Ảnh: VF Hess Society, Schloss Pöllau/Austria
“Việc phát hiện ra bức xạ vũ trụ là khám phá của thế kỉ và mang đến cho chúng ta những kiến thức sâu sắc hoàn toàn mới về vũ trụ,” phát biểu của giáo sư Christian Stegmann, trưởng viện DESY tại Zeuthen ở gần Berlin. “Ngoài ra, nó còn là một bước ngoặt của nền vật lí hạt buổi đầu. Trước khi phát triển các máy gia tốc hạt, nghiên cứu tia vũ trụ dẫn tới khám phá ra nhiều hạt sơ cấp quan trọng, trong số chúng có phản hạt của electron – positron – cũng như muon và pion.”
Viện DESY, Đại học Potsdam, và Viện Lịch sử Khoa học Max Planck ở Berlin đồng tổ chức một hội nghị chuyên đề kỉ niệm 100 năm khám phá ra tia vũ trụ. Từ ngày 6 đến 8 tháng 8, 2012, các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới sẽ gặp gỡ ở Bad Saarow, nơi Hess hạ cánh quả khí cầu của ông, để trình bày và thảo luận sự phát triển của nhiều lĩnh vực con đa dạng từ những sự khởi đầu lịch sử cho đến những ý tưởng cho những dự án mới.
Cùng với nhà vật lí đoạt giải Nobel, giáo sư James Cronin, một trong những nhà thiết kế của đài thiên văn tia vũ trụ lớn nhất ngày nay, đài "Pierre Auger" ở Argentina, và giáo sư Arnold Wolfendale, nhà thiên văn học Hoàng gia thứ 14, hai người cháu nội của Hess, William và Arthur Breisky cũng đăng kí tham gia hội nghị. Một tượng đài sẽ được khánh thành, những người tham gia sẽ có thể tham quan những chuyến bay khí cầu, và những điện nghiệm được sử dụng trên khắp thế giới khi ấy để tiến hành các phép đo ion hóa cũng sẽ được trưng bày.
“Lễ kỉ niệm trăm năm sắp tới là thời điểm để vừa nhìn lại sự phát triển của lĩnh vực trên vừa nhìn tới trước: ‘từ đây chúng ta đi đến đâu nữa?’,” ông Wolfendale nói. “Nghiên cứu tia vũ trụ đã dẫn tới những lĩnh vực nghiên cứu mới mẻ, trong đó có ‘những nền thiên văn học mới’ và tương lai cho chúng là thật sự sáng sủa. Nền thiên văn học Neutrino đang ở bên bờ khởi phát và nền thiên văn học tia gamm đã bắt đầu giai đoạn sốt sắng nhất.”
Các nhà vật lí trông đợi có thêm những kiến thức sâu sắc mới về bản chất của các máy gia tốc hạt vũ trụ, chúng mạnh gấp một triệu lần những máy gia tốc mạnh nhất trên trái đất, từ nền thiên văn học tia gamma. Các proton độc thân đến từ bức xạ vũ trụ có thể có nhiều năng lượng như một quả bóng tennis bị đập mạnh, nhưng do điện tích của chúng, những hạt chuyển động nhanh đó bị lệch hướng bởi những từ trường khổng lồ khi chúng truyền đi trong vũ trụ. Điều này có nghĩa là người ta không thể truy nguyên điểm cội nguồn của chúng từ hướng bay của chúng khi chúng chạm đến trái đất.
Vì thế, đã 100 năm kể từ khi khám phá ra chúng, bí ẩn nguồn gốc của vũ trụ vẫn còn lâu mới được giải. “Vũ trụ có đầy những máy gia tốc hạt tự nhiên, ví dụ như trong những vụ nổ sao siêu mới, trong những hệ sao đôi, hay trong những lõi thiên hà hoạt động. Cho đến nay, chỉ có 150 vật thể trong số này được chúng ta biết đến, và chúng ta chỉ mới có kiến thức vật lí sơ bộ của những hệ hấp dẫn này,” Stegmann nói.
Trái với tên gọi có thể khiến người ta nghĩ, bức xạ vũ trụ chủ yếu gồm các hạt, nhưng một phần nhỏ thật sự là bức xạ gamma, nó không bị lệch trên đường đi của nó trong không gian và do đó hướng thẳng đến nguồn phát của nó. Vì các nhà vật lí trông đợi nguồn phát của bức xạ gamma vũ trụ là cùng nơi với các hạt vũ trụ, nên họ đang săn tìm những máy gia tốc hạt vũ trụ bằng những đài thiên văn tia gamma chuyên dụng.
Các đài thiên văn như H.E.S.S. ở Namibia, tên gọi tôn vinh việc khám phá ra bức xạ vũ trụ, MAGIC ở La Palma, và VERITAS ở Mĩ, với sự tham gia của DESY, cho đến nay đã phát hiện ra hơn một trăm nguồn bức xạ gamma vũ trụ năng lượng cao. Ma trận Kính thiên văn Cherenkov CTA mới khánh thành theo kế hoạch cũng đi theo lộ trình khám phá này. “Ma trận Kính thiên văn Cherenkov sẽ quan sát hàng nghìn máy gia tốc như thế này với độ nhạy chưa có tiền lệ,” Stegmann nói.
Tương tự như tia gamma, các neutrino vũ trụ cũng mở ra một hướng đi với các máy gia tốc hạt của vũ trụ. Neutrino là những hạt trung hòa điện, khối lượng nhỏ, chúng không bị lệch bởi từ trường. Điều này có nghĩa là đường đi tới của một neutrino hướng ngược đến nguồn phát của nó. Với sự tham gia của DESY, kính thiên văn neutrino lớn nhất thế giới, IceCube ở Nam Cực, đã hoàn tất vào tháng 12 năm 2010 và chỉ mới bắt đầu tìm kiếm neutrino vũ trụ.
“Ở mỗi lộ trình, chúng ta trông đợi những kiến thức sâu sắc hấp dẫn về những máy gia tốc hạt tự nhiên trong vũ trụ, chúng sẽ làm sáng tỏ thêm những bí ẩn vẫn còn đó của tia vũ trụ,” Stegmann nhấn mạnh.
Website của hội nghị kỉ niệm 100 năm khám phá tia vũ trụ: www.desy.de/2012vhess
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: Deutsches Elektronen-Synchrotron
