Neutrino - một lỗ hổng của mô hình chuẩn

Neutrino bí ẩn như sự phổ biến của chúng vậy. Là một trong những hạt phổ biến trong vũ trụ, chúng xuyên qua hầu hết mọi vật chất, và khi bạn đang ngồi đây đọc những dòng này thì hàng tỉ chúng đang xuyên qua người bạn. Khối lượng của chúng nhỏ đến độ không một thí nghiệm nào có thể đo được. Chúng di chuyển gần với tốc độ ánh sáng - và gần đây - thực ra là do lỗi của dây nối - tại phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso ở Ý năm 2011 đã công bố chúng có thể di chuyển nhanh hơn cả ánh áng.

Các nhà vật lý đã tốn rất nhiều thời gian để nghiên cứu các tính chấ của hạt vô hình này. Năm 1962, họ khám phá ra rằng neutrino có nhiều hơn một loại hoặc có “mùi”. Vào cuối thế kỹ trước, các nhà vật lý định nghĩa 3 loại mùi: electron neutrino, muon neutrino và tauon neutrino và khám phá ra rằng neutrino có thể chuyển đổi mùi thông qua quá trình dao động. Điều đáng ngạc nhiên này đã tạo ra một cuộc cách mạng trong vật lý - hiểu biết đầu tiên về tương tác của hạt chỉ ra vật lý bên ngoài sự thành công rực rỡ của mô hình chuẩn, một nền tảng lý thyết đã được các nhà vật lý xây dựng hơn thập kỹ qua về các hạt và tương tác giữa chúng.

Ngày nay, theo các nhà vật lý sự nghiên cứu về neutrino có thể dẫn đến câu trả lời cho các vấn đề lớn sau đây:

Nếu có thể đo được khối lượng neutrino, thì khối lượng của chúng là bao nhiêu?
Có tồn tại các phản neutrino hay không?
Có nhiều hơn 3 loại neutrino hay không?
Cơ chế thu khối lượng của neutrino có giống các hạt cơ bản khác không?
Tại sao trong vũ tụ lại có nhiều vật chất hơn phản vật chất?

Câu trả lời cho những vấn đề trên không chỉ mở ra cánh cửa cho vật lý bên ngoài mô hình chuẩn, mà còn có thể mở ra cánh cửa để trả lời các câu hỏi về vũ trụ, những cách để trở về quá khứ.

Tự nhiên và máy móc

Khi nhghiên cứu vè neutrino, các nhà khoa học có 3 lựa chọn:

Họ có thể bắt các neutrino xuất hiện trong tự nhiên, chẳng hạn như một quá trình phản ứng hạt nhân xãy ra ở các ngôi sao như mặt trời của chúng ta chẳng hạn, trong sự va chạm của các hạt trong vũ trụ với bầu khí quyển của trái đất hoặc trong các sự nổ của sao như supernovae. Những ngôi sao như mặt trời của chúng ta phát ra các electron neutrino, trong khi các hạt vũ trụ và supernovae thì có sự trộ lẫn của ban loại neutrino với phản neutrino tương ứng của nó.

Một cách khác, các nhà khoa học có thể khảo sát neutrino ddwwcocj tạo ra bởi các lò phản ứng hạt nhân loại nhỏ dùng trong gia đình hoặc kinh doanh. Các phản ứng tạo ra phản electron neutrino. Các thí nghiệm để nghiên cứu neutrino theo cách này đòi hỏ phải xây dựng các detector hạt ở gần các nhà máy điện hạt nhân và phải hiểu biết về neutrino và những tương tác của nó với vật chất.

Cuối cùng, các nhà khao học có thể cố tình tạo ra neutrino cho thí nghiệm bằng cách bắn proton từ máy gia tốc vào một bia graphite và phản ứng sẽ tạo ra các neutrino. Các thí nghiệm về gia tốc có một thuạn lợi là có thể kiểm tra được cả neutrino và phản neutrino. Chùm tia có cường độ cao của máy gia tốc hạt này có thể làm tăng cơ hội tương tác của neutrino với detector. Hơn nữa máy gia tốc có thể tạo ra neutrino có năng lương cao hơn so với neutrino đến từ lò phản ứng hay mặt trời. Vì thế các thí nghiệm của máy gia tốc có thể xác định chính xác hơn tính chất của neutrino.

Hai loại nguồn neutrino nhân tạo kể trên có một lợi ích khác: các detector có thể đặt ở những vị trị đặt biệt so với nguồn, phụ thuộc vào mục đích của thí nghiệm. Khoảng cách tối ưu có thể từ 10m đến vài trăm km cho các thí nghiệm về tương tác, và khoảng hàng trăm đến hành nghìn km cho thí nghiệm về dao động mà sử dụng neutrino từ máy gia tốc.

Bắt chúng nếu như bạn có thể

Các detector cũng có nhiều loại. Bởi vì các neutrino bản thân chúng là ẩn đối với detector , các nhà khoa học phải sử dụng một cách gián tiếp: Chúng ghi nhaajnj điện tích của csc hạt và chớp sáng tạo ra khi nwrtrino tương tác với nguyên tử, và điều này có nghĩa là neutrino đang hiện diện.

Bởi vì chỉ có một lượng hiếm hoi neutrino tương tác với vật chất, nên chỉ có một cách là đặt thật nhiều vật chất trên đường đi của nó. Super – Kamiokande, một loại detector neutrino cỏ điển của Nhật chứa 50 000 tấn nước. Các neutrino tạo ra từ bầu khí quyển của trái đất, từ mặt trời hoặc máy gia tốc cách 295 km sẽ tương tác với phân tử nước và tạo ra các hạt mang điện. Đến lượt mình, các hạt mang điện này tạo ra chớp sáng màu xanh gọi là bức xạ Cherenkov. Các cảm biến ánh sáng sẽ thu nhận tín hiệu.

Mô hình Chuẩn

NHỮNG CÂU HỎI LỚN

Thông qua những thí nghiệm với những kỹ thuật hiện đại, các nhà vật lý đã bước đầu xây dựng bức tranh hoàn chỉnh về neutrino. Kết quả cho việc này có thể là chìa khóa cho những câu hỏi trong khoa học những năm qua.

1. Khối lượng của các loại neutrino là bao nhiêu?

Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng neutrino có khối lượng rất nhỏ, hầu như là bằng không. Mặc dù mỗi neutrino có khối lượng nhẹ hơn hàng tỉ lần một electron, song khối lượng chinhhs xác thì vẫn chữa xác định được. Vựa vào tính phong phú của mình, neutrino có thể chiếm vài phần trăm khối lượng của vũ trụ và giữ một vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng về vũ trụ.

Tần số giao động neutrino phụ thuộc vào sư khác nhau về khối lượng giữa ba loại neutrino. Thí nghiệm NOvA, bắn neutrino từ Fermilab sang sông Ash, Minnesota, cách đó 810 km. Các nhà khao học hy vọng rằng từ kết quả quan sát dao động neutrino sẽ giúp chúng ta xác định được loại neutrino nào nawngk nhất, nhẹ nhất.

Bước đầu tiên các nhà khoa học khám ra rằng khối lượng neutrino có tính phân bậc. Để có thẻ hiểu đầy đủ hơn, các nhà khoa học cần xác định thang khối lượng tuyệt đối của neutrino bằng cách đo khối lượng của một trong só chúng. Thí nghiệm KATRIN ở Đức sẽ đảm nhận nhiệm vụ này. Thí nghiệm này sẽ nghiên cứu sự phân rã hạt nhân của tritium, một đồng vị của hidro. So sánh khối lượng và động năng của các hạt trước và sau khi phân rã, quá trinh tạo ra phản neutrino electron. Bởi vì tổng năng lượng của các hạt phải bảo toàn, các nhà khoa học có thể xác định được khối lượng của neutrino nếu ta đo được động năng của các hạt.

2. Có hay không phản neutrino?

Các nhà khoa học đã quan sát tương tác của cả neutrino cà phản neutrino với vật chất. Nhưng điều này không rõ ràng liệ có hay không hai hạt neutrino và phản neitrino của nó riêng biệt. Trong trường hợp các hatj mạng điện, các nhà khoa học dễ dàng phân biệt hatj và phản hạt của chúng. Một electron mang điện âm, một pozitron mang điện dương. Tuy nhiên neutrino không mang điện, vì vậy cũng có thể neutrino là phản hạt của chính nó. Ý tưởng này được đưa ra bởi Ettore Majorana, một nhà vật lý người Ý. Nếu lý thuyết của Majorana là đúng, hai phản neutrino cũng là các neutrino, và vì vậy chúng có thể hủy lẫn nhau. Kết quả này dẫn đến trong phân rã hai beta sẽ không có neutrino lẫn phản neutrino được phát ra.

3. Có nhiều hơn 3 loại neutrino?

Mô hình chuẩn mô tả chỉ có 3 loại neutrino, tương ứng với 3 loại lepton electron, muon, tauon thông qua lực tương tác yếu - lực cơ bản chi phối các quá trình phân rã và tạo ra neutrino. Nhưng có những bằng chúng khác nhau chỉ ra rằng, có thể có những loại neutrino khác với những tính chất khác với những loại neutrino mà ta đã biết. Thí nghiệm rã tiếp tục tìm kiếm những hạt “trơ” đó, sở dĩ gọi “trơ” là vì chúng không tương tác với vật chất thông qua lực tương tác yếu như những neutrino khác đã làm.

4. Hạt Higgs có sinh khối lượng cho neutrino?

Theo mô hình chuẩn, trường boson Higgs tạo khối lượng cho các quark và các lepton mang điện - một nhóm các hạt cơ bản bao gồm cà electron. Tuy nhiên nhiều nhà khoa học nghĩ rằng khối lượng của neutrino ánh sáng hồng ngoại thì tăng lên, ít nhất là một phần. Thí nghiệm tại LHC đã tìm ra hạt tựa Higgs, những cũng không có khả năng đo đạc các tính chất của neutrino. Tuy vậy, các thí nghiệm về hạt nhân trong tương lai và các thí nghiệm về dao động neutrino có thể tìm ra nguồn gốc khối lượng của neutrino.

5. Tại sao vật chất lại nhiều hơn phản vật chất?

Theo sự hiểu biết hiện tại của các nhà vật lý về big bang, vật chất và phản vật chất có một lượng bằng nhau tại thời điểm ban đầu của vũ trụ. Nhưng nếu vậy, thì đến tận ngày nay, các vật chất sẽ tương tác với phản vật chất, và vì thế sẽ tạo ra năng lượng đầy trong vũ trụ với ánh sáng và bức xạ. Vậy tại sao vũ trụ ngày nay không hoàn toàn là năng lượng? Tại sao vât chất và phản vật chất không hủy nhau như chúng dã từng?

Câu trả lời cho các câu hỏi trên năng ở chỗ gọi là sự vi phạm đối xứng điện tích-chẳn lẻ (CP violation). Tìm hiểu về CP violation có thể giải thích sự chiếm ưu thế của vạt chất hơn, và neutrino là thủ phạm. “ Nó được gọi là Holay Grail neutrino vật lý”.

Những nghiên cứu trước dã tìm thấy vi phạm CP - một thuộc tính khác của hạt và phản hạt - trong các hạt cơ bản như quark nhưng sự vi phạm CP này không giải thích sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất.

Neutrino tham gia vào trò chơi bởi vì không nhẹ của nó, theo một lý thuyết gọi là “see-saw picture”, neutrino là loại ánh sáng hồng ngoại liên quan đến các hạt nặng trong vũ trụ từ rất sớm. Sự phân biệt các hạt nặng này có thể đã vi phạm đối xứng CP theo một cách mà dẫn đến ngày nay là sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất. Đê hiểu rõ cơ chế bằng cách nào sự mất căng bằng tăng lên thì các nhà khoa học cũng cần tìm sự vi phạm đối xứng CP trong dao động của neutrino.