Vén màn bản chất tia vũ trụ
Ngày nay, chúng ta biết rằng phần lớn tia vũ trụ là những hạt nhân nguyên tử tích điện, nhưng mất nhiều năm người ta mới biết như vậy. Bước ngoặt và bước chuyển đến từ một cuộc tranh luận nổi tiếng hồi thập niên 1930 giữa Millikan và cựu sinh viên của ông Arthur Compton, cả hai người đều giành giải Nobel. Millikan tin rằng tia vũ trụ là những photon năng lượng cao, còn cựu học sinh của ông nghĩ rằng tia vũ trụ là những hạt tích điện, Millikan công khai chỉ tích công trình của Compton là “kém thận trọng hơn” công trình của ông.
Trước năm 1932, những hạt duy nhất mà các nhà vật lí biết tới là photon, electron, proton và hạt nhân của các nguyên tố. Kiến thức của họ về tương tác giữa các hạt là còn trong giai đoạn trứng nước, và hiện tượng có liên quan duy nhất được hiểu một cách hợp lí là sự ion hóa và hiệu ứng Compton – trong đó một photon mất năng lượng qua sự tán xạ không đàn hồi trên một electron.
Cuộc tranh luận nảy lửa đã được phân giải nghiêng về Compton qua những phép đo do ông và những người khác thực hiện – đáng chú ý là nhà vật lí người Hà Lan Jacob Clay – họ đo thông lượng tia vũ trụ là một hàm của trường địa từ ở những vĩ độ và cao độ khác nhau. Công trình này đã xác lập rằng bức xạ vũ trụ đó phải là những hạt tích điện với năng lượng hàng chục giga-electron-volt, cao hơn nhiều so với Millikan ước tính.
Nhưng những hạt tích điện đó là cái gì? Vào năm 1932, neutron và positron, phản hạt tích điện dương của electron, được khám phá, positron được phát hiện trong các nghiên cứu tia vũ trụ của nhà vật lí người Mĩ Carl Anderson sử dụng buồng mây trong phòng thí nghiệm của Millikan ở California. Sau đó, vào năm 1933, Compton và học trò của ông, Luis Alvarez, đã tiến hành một loạt thí nghiệm tinh vi, lần đầu tiên được đề xuất bởi Bruno Rossi, ở Mexico City – vĩ độ và cao độ khiến nó là địa điểm được chọn – thí nghiệm đó chứng minh rằng có nhiều tia vũ trụ đến từ phía tây hơn là từ phía đông và phần át trội đó tích điện dương. Lúc ấy, cái có vẻ tự nhiên là quy sự dư thừa điện tích dương cho những hạt positron mới được phát hiện.
Chỉ đến năm 1941 – qua một thí nghiệm khí cầu không người lái – nhà vật lí người Czech Marcel Schein mới chứng minh được rằng proton là thành phần chính của tia vũ trụ. Kể từ đó, chúng ta đã khám phá ra rằng phần lớn tia vũ trụ là hạt nhân nguyên tử của toàn bộ các nguyên tố có mặt trong tự nhiên, và nhiều nghiên cứu tiến hành với khí cầu và phi thuyền vũ trụ đã cung cấp thông tin về tỉ lệ của những nguyên tố khác nhau có mặt trong tia vũ trụ. Một bất ngờ đến sớm là chiếm một tỉ lệ lớn không ngờ của tia vũ trụ là những nguyên tố nhẹ - lithium, beryllium và boron. Người ta sớm nhận ra rằng đây là sản phẩm của những hạt nhân nặng hơn dồi dào hơn đã vỡ ra khi chúng va chạm với vật chất giữa các sao. Người ta cũng phát hiện ra rằng chiếm một phần tia vũ trụ là electron, positron, photon và phản proton.
Song song với những nỗ lực tìm hiểu bản chất của các tia vũ trụ tới, đa số các hạt năng lượng cao đi tới mặt đất đã được sử dụng làm công cụ nghiên cứu hành trạng của vật chất ở năng lượng cao. Lúc này, tự nhiên là nguồn duy nhất của những hạt năng lượng cao thật sự, với cỗ máy gia tốc mạnh nhất, dụng cụ Cockcroft–Walton tại Phòng thí nghiệm Cavendish ở Cambridge, chỉ đạt tới khoảng 800 keV. Trước Thế chiến thứ hai, sự nghiên cứu vật chất năng lượng cao chủ yếu được thực hiện với buồng mây và, ngoài positron, vào năm 1936 muon đã được phát hiện ra bằng kĩ thuật này, rồi những hạt “lạ” đầu tiên được nhìn thấy bởi G D Rochester và Clifford Butler tại trường Đại học Manchester vào năm 1947. Vì thế có thể xem thập niên 1930 là thập niên trong đó cái ngày nay chúng ta gọi là “vật lí hạt” đã ra đời.
Tuy nhiên, điểm qua lịch sử của thời kì này, cái nổi bật là cách các nhà thực nghiệm học được khi tiến tới giải thích số liệu của họ là bằng chứng của sự sụp đổ của lí thuyết mới của điện động lực học trước khi buộc phải chấp nhận muon là một hạt ngoài proton, neutron, electron và positron; “vườn bách thú hạt” chỉ mở cửa sau đó khi nghiên cứu máy gia tốc hạt được triển khai vào đầu thập niên 1950.
Từ vũ trụ đến
Manh mối đầu tiên về nguồn gốc của tia vũ trụ đến từ những nghiên cứu cẩn thận tỉ lệ của từng nguyên tố, cái giúp xác lập rằng tia vũ trụ truyền đi hơn một triệu năm trước khi đi tới Trái đất. Nghiên cứu đẹp hơn nhiều tiếp tục theo đề tài này sử dụng các máy dò hạt quay trên quỹ đạo xung quanh Trái đất ví dụ như vệ tinh PAMELA và quang phổ kế AMS-02 gắn trên Trạm Vũ trụ Quốc tế.
Tuy nhiên, mặc dù số liệu thu từ những máy dò hạt này có thể dùng để suy luận ra quãng đường tia vũ trụ đã truyền đi, nhưng người ta không thể suy luận ra nguồn gốc từ đó tia vũ trụ đã phát ra từ hướng tới của chúng. Đó là vì những máy dò hạt này tương đối nhỏ và chỉ có thể đi những tia vũ trụ với năng lượng dưới khoảng 1014 eV ở một tốc độ hợp lí. Do đó, thật khó suy luận ra nguồn gốc của chúng bởi vì những hạt tích điện như thế không còn ghi nhớ hướng ban đầu của chúng nữa vì khi chúng truyền đi trong không gian, chúng bị lệch hướng bởi những từ trường có mặt trên đường đi.
Gắn trên Trạm Vũ trụ Quốc tế, máy dò hạt AMS-02 nặng 6700 kg đo thông lượng và thành phần của tia vũ trụ đồng thời tim kiếm phản vật chất và vật chất tối. (Ảnh: NASA)
Tuy nhiên, có một cách khác khám phá nguồn gốc của tia vũ trụ ngoài việc nghiên cứu bản thân các tia. Bên trong các nguồn, các proton có thể tương tác với vật chất để tạo ra những hạt pion trung hòa, hạt nhẹ nhất trong số các meson, chúng phân hủy nhanh thành hai tia gamma- và tia gamma thì truyền đi theo đường thẳng. Do đó, các nhà nghiên cứu đang cố gắng đi tìm nguồn gốc của vũ trụ bằng cách dò tìm những nguồn điểm phát photon sử dụng máy dò tia gamma. Những vệ tinh chuyên dụng như AGILE và Fermi đã và đang được sử dụng để nghiên cứu tia gamma 100-10.000 MeV, trong khi ba máy dò Cherenkov lớn đặt trên mặt đất – HESS (Namibia), VERITAS (Arizona) và MAGIC (Quần đảo Canary) – dò tìm trong ngưỡng năng lượng tera-electron-volt (1011–1013 eV).
Hơn 1000 vật thể ví dụ như sao siêu mới và các thiên hà hoạt động đã được tìm thấy với những vệ tinh này và khoảng 100 vật thể giống như vậy đã được nhận ra bởi các máy dò Cherenkov. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ là những photon này có đến từ sự phân hủy pion trung hòa hay không bởi vì chúng cũng có thể được phát ra bởi các electron dưới dạng bức xạ synchrotron, quá trình tạo ra nhiều photon năng lượng thấp của thiên văn học vô tuyến. Như vậy, ngay cả ở những năng lượng thấp, việc nhận dạng nguồn gốc tia vũ trụ vẫn là chưa chắc chắn.
