Qua các thí nghiệm sử dụng những phương pháp và công nghệ đa dạng, các nhà vật lí đang bắt đầu có được một bức tranh đầy đủ hơn của hành trạng neutrino. Những kết quả đó có thể là chìa khóa để trả lời những câu hỏi đã khiến các nhà khoa học cảm thấy lúng túng trong những năm qua.
- Joseph Piergrossi (Symmetry Magazine)
>> Xem Phần 1
Ảnh: Sandbox Studio, Chicago
Khối lượng của ba loại neutrino đã biết là bao nhiêu?
Các thí nghiệm cho thấy các neutrino có một khối lượng rất nhỏ, nhưng không bằng zero. Mặc dù mỗi neutrino phải nhẹ hơn một electron một triệu lần, nhưng khối lượng chính xác của chúng thì vẫn chưa rõ. Do sự dồi dào của chúng, các neutrino có thể chiếm vài phần trăm khối lượng của vũ trụ và giữ một vai trò quan trọng trong sự tiến hóa của vũ trụ.
Tần suất của các dao động neutrino tùy thuộc vào sự chênh lệch khối lượng giữa ba loại neutrino khác nhau. Thí nghiệm NOvA sẽ sớm bắt đầu gửi đi các neutrino từ Fermilab đến Ash River, Minnesota, ở xa 810 km. Các nhà khoa học hi vọng rằng việc quan sát những dao động thu được sẽ xác định loại neutrino nào là nặng nhất và loại nào nhẹ nhất.
Việc khám phá ra khối lượng này mới chỉ là bước đi đầu tiên. Để hoàn thiện kiến thức của họ về khối lượng neutrino, các nhà khoa học còn cần phải xác định cỡ khối lượng neutrino tuyệt đối bằng cách đo khối lượng của một trong ba loại neutrino. Thí nghiệm KATRIN ở Đức sẽ cố gắng làm nhiệm vụ đó. Nó sẽ nghiên cứu sự phân hủy hạt nhân tritium, một dạng không bền của hydrogen. Nó sẽ so sánh khối lượng và động năng của các hạt trước và sau phân hủy – phân hủy này tạo ra một phản neutrino electron. Vì năng lượng toàn phần của các hạt có mặt trong phản ứng phải được bảo toàn, nên các nhà khoa học có thể xác định khối lượng của phản neutrino đó nếu họ có thể đo động năng của các hạt với độ chính xác vừa đủ.
Các neutrino có là phản hạt của riêng chúng hay không?
Các nhà khoa học đã quan sát sự tương tác của neutrino lẫn phản neutrino với vật chất. Nhưng không rõ là một neutrino và phản hạt của nó có là hai hạt độc lập hay không. Trong trường hợp những hạt tích điện, các nhà khoa học có thể dễ dàng phân biệt hạt và phản hạt của chúng bởi điện tích của chúng. Một electron có điện tích âm, và một positron thì có điện tích dương. Tuy nhiên, các neutrino không có điện tích. Cho nên có khả năng một neutrino là phản hạt của chính nó. Các nhà lí thuyết gọi trường hợp này là neutrino Majorana, đặt theo tên của nhà vật lí người Italy Ettore Majorana, người nhận ra khả năng này. Có khả năng khác, neutrino và phản neutrino có thể là những hạt độc lập và hành xử theo các phương trình được phát triển bởi nhà lí thuyết Paul Dirac.
Một số thí nghiệm hạt nhân, ví dụ như Đài thiên văn Xenon Làm giàu ở New Mexico và thí nghiệm Majorana ở Nam Dakota, hướng tới trả lời câu hỏi neutrino Majorana hay neutrino Dirac. Chúng đang khảo sát các hạt nhân phóng xạ biểu hiện sự phân hủy đồng thời của hai neutron – một quá trình gọi là phân hủy beta kép và lần đầu tiên được quan sát vào năm 1986. Phản ứng hạt nhân này thường làm bắn ra hai phản neutrino, chúng mang năng lượng ra khỏi quá trình phân hủy này.
Nếu lí thuyết Majorana là đúng, thì hai phản neutrino đó cũng sẽ là neutrino, và chúng có thể “hủy nhau mất”. Kết quả sẽ là phân hủy beta thỉnh thoảng không sinh neutrino, trong đó không có neutrino hay phản neutrino nào được phát ra. Nếu những thí nghiệm quan sát thấy quá trình hiếm này, thì nó sẽ xác nhận lí thuyết Majorana và đặt nền tảng cho nhiều lí thuyết đẹp lí giải các neutrino thu lấy khối lượng như thế nào và tại sao khối lượng của chúng nhỏ hơn nhiều so với bất kì hạt vật chất nào khác mà chúng ta biết.
Có nhiều hơn ba mùi neutrino hay không?
Mô hình Chuẩn mô tả chỉ ba mùi neutrino, mỗi mùi liên hệ với electron hoặc một trong những họ hàng nặng hơn của nó qua lực hạt nhân yếu – lực cơ bản gây ra sự phân hủy phóng xạ và sản sinh neutrino. Nhưng có nhiều bằng chứng đa dạng đề xuất rằng có thể tồn tại một mùi neutrino nữa, với những tính chất hơi khác với ba loại neutrino đã biết. Các thí nghiệm sẽ tiếp tục tìm kiếm những neutrino “vô sinh” này, sở dĩ có tên gọi như vậy bởi thực tế chúng không tương tác với vật chất khác qua lực yếu giống như những neutrino khác.
Hạt Higgs có mang khối lượng đến cho các neutrino hay không?
Theo Mô hình Chuẩn, trường đi cùng với boson Higgs cung cấp khối lượng cho các quark và các lepton tích điện (lepton là một nhóm hạt sơ cấp trong đó có electron). Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học nghĩ rằng khối lượng của những neutrino cực nhẹ phát sinh, ít nhất là một phần nào đó, theo một cách nào đó khác đến nay chưa rõ. Các thí nghiệm tại Máy Va chạm Hadron Lớn, nơi đã khám phá ra một hạt giống-Higgs, sẽ không có khả năng đo các tính chất neutrino. Thay vậy, các thí nghiệm hạt nhân trong tương lai và các thí nghiệm dao động neutrino như NOvA và Thí nghiệm Neutrino Đường cơ sở Dài (LBNE) có thể giải được bài toán nguồn gốc của khối lượng neutrino. “LBNE và NOvA có thể giúp chúng ta giải thích kết quả của những thí nghiệm hạt nhân đó,” phát biểu của nhà lí thuyết Boris Kayser tại Fermilab.
Tại sao có nhiều vật chất hơn phản vật chất?
Theo hiểu biết hiện nay của các nhà vật lí, vật chất và phản vật chất đã được hình thành với lượng bằng nhau khi vũ trụ mới ra đời. Nhưng nếu đúng như vậy, thì mỗi chút nhỏ vật chất sẽ phải va chạm với mỗi chút nhỏ phản vật chất hiện nay. Tương tác này sẽ giải phóng rất nhiều năng lượng và khiến vũ trụ ngập đầy ánh sáng và bức xạ, mà không còn chút vật chất nào hết. Tại sao vũ trụ không hoàn toàn là năng lượng? Tại sao vật chất và phản vật chất không hủy nhau hết ngay khi chúng được tạo ra?
Câu trả lời cho câu hỏi đó nằm ở cái gọi là sự vi phạm đối xứng điện tích-chẵn lẻ. Việc tìm kiếm loại vi phạm CP thích hợp để lí giải sự át trội của vật chất là một ưu tiên hàng đầu, và các neutrino là ứng cử viên sáng giá. “Nó thường được gọi là chén thánh của vật lí học neutrino,” phát biểu của giáo sư Mark Messier tại trường Đại học Indiana, đồng phát ngôn viên của thí nghiệm NOvA.
Những nghiên cứu trước đây tìm thấy sự vi phạm CP – một sự khác biệt ở hành trạng của các hạt và phản hạt của chúng – ở những hạt sơ cấp gọi là quark. Nhưng sự vi phạm CP này không giải thích được sự mất cân bằng tổng thể vật chất-phản vật chất.
Các neutrino có mặt trong cuộc chơi bởi vì khối lượng hết sức nhẹ của chúng cho thấy, qua một lí thuyết gọi là “bức tranh bập bênh”, rằng chúng là những họ hàng cực nhẹ của những hạt rất nặng có tuổi thọ rất ngắn trong vũ trụ sơ khai. Sự phân hủy của những hạt nặng này có thể vi phạm đối xứng CP theo một kiểu dẫn tới sự mất cân bằng hiện nay giữa vật chất và phản vật chất. Nếu đó thật sự là cách mà sự mất cân bằng phát sinh, thì các nhà khoa học cũng sẽ tìm thấy sự vi phạm CP trong sự dao động của các neutrino ngày nay.
Nguồn: Symmetry Magazine
Trần Nghiêm dịch
