Tạp chí Physics World vừa bình chọn sự kiện “Đài thiên văn Neutrino IceCube Nam Cực thực hiện những quan sát đầu tiên của các neutrino vũ trụ năng lượng cao” là Đột phá của năm 2013. Chín thành tựu kia bao quát từ lĩnh vực vật lí hạt nhân đến công nghệ nano.
Các thành viên của nhóm hợp tác IceCube ăn mừng việc hoàn tất giai đoạn xây dựng của thí nghiệm IceCube ở Nam Cực vào tháng 12 năm 2010. (Ảnh: Chad Carpenter, IceCube/NSF)
IceCube là một máy dò hạt khổng lồ triển khai sâu bên dưới thềm băng ở Nam Cực. Với thể tích hiệu dụng 1 km3, nó có thể phát hiện ra các neutrino năng lượng cực cao đến từ bên ngoài hệ mặt trời. IceCube có thể xác định hướng mà một neutrino đến, ngoài ra nó còn có thể làm sáng tỏ nguồn gốc của các tia vũ trụ. Những hạt tích điện năng lượng cao này được tạo ra ở cùng nơi với các neutrino vũ trụ nhưng chúng bị lệch hướng trên đường truyền bởi các từ trường và người ta không thể tìm ngược về nguồn phát của chúng.
Theo nhà nghiên cứu chính của IceCube, Francis Halzen, thách thức lớn nhất trong việc xây dựng máy dò hạt này là việc khoan những hố sâu 2,5 km vào trong thềm băng để đặt các thiết bị dò tìm neutrino. IceCube gồm tổng cộng 86 hố khoan, mỗi hố có đường kính 60 cm. Sử dụng nước nóng, các nhà khoa học đã khoan hố với tốc độ ba hố mỗi tuần. Việc khoan hố chỉ có thể tiến hành trong mùa hè ngắn ngủi ở Nam Cực, cho nên mất bốn năm thì quá trình xây dựng IceCube mới triển khai xong.
Khi xây dựng IceCube, các nhà khoa học đã bắt gặp một số bất ngờ. Trước tiên là băng phủ tại vùng đặt máy dò hạt có quang tính tốt hơn nhiều so với trông đợi. Độ trong suốt của băng là cái quan trọng vì IceCube sử dụng các ống nhân quang để dò tìm bức xạ Cerenkov yếu ớt được giải phóng bởi những hạt tích điện chuyển động nhanh được sinh ra khi một neutrino va chạm với một hạt nhân trong băng. Chất lượng băng tốt nên người ta dễ dàng mở rộng thể tích máy dò hạt, bởi vì các hố bây giờ có thể cách nhau khoảng 300 m thay vì là 25 m.
Tuy nhiên, bất ngờ lớn nhất là phép đo một trận mưa hạt sinh ra bởi một neutrino vũ trụ năng lượng cực cao – đặt tên là Ernie – được thực hiện trước khi máy dò hạt được xây dựng hoàn chỉnh. Cái bất ngờ về Ernie – và Bert và khoảng 20 neutrino khác – là một tỉ lệ lớn năng lượng của neutrino để lại trong máy dò hạt. Điều này cho phép đội nghiên cứu xác định các giá trị tối thiểu của năng lượng của những neutrino này với sai số 15%.
Đội nghiên cứu nghĩ rằng những sự kiện như thế sẽ là cực kì hiếm, và đã lên kế hoạch tập trung chú ý vào các muon neutrino vũ trụ. Những hạt này tương tác với máy dò hạt tạo ra một muon có thể theo dõi được với độ chuẩn xác cao. Điều này có nghĩa là nguồn gốc vũ trụ của neutrino có thể được định vị tốt hơn 0,4 độ - tốt hơn nhiều so với Ernie và Bert – nhưng năng lượng của nó không thể được đo chính xác. Nay các nhà khoa học sử dụng IceCube có hai cách riêng biệt để nghiên cứu các neutrino vũ trụ.
Dự kiến IceCube sẽ hoạt động trong 20 năm, và ngoài việc hậu thuẫn cho lĩnh vực nghiên cứu vật lí neutrino và thiên văn học neutrino, nó còn tham gia săn tìm vật chất tối. Nó cũng sẽ được dùng để nghiên cứu cấu trúc bên trong của Trái đất bởi các neutrino mà lõi Trái đất phát ra.
Dưới đây là những thành tựu vật lí nổi bật khác trong năm 2013.
Hạt nhân hình quả lê
Kể từ thập niên 1990, các nhà vật lí đã nghi ngờ rằng một số hạt nhân có hình dạng méo mó do các tương tác giữa các proton và neutron thành phần của chúng. Tiên đoán đó đã được xác nhận trong năm nay với radon-222 và radium-224. Vừa làm sáng tỏ bài toán khó xác định các tính chất của những hạt nhân lớn, hạt nhân hình quả lê còn có thể mang lại một phương pháp đo moment lưỡng cực điện vĩnh cửu của một nguyên tử, cái bị cấm đoán bởi Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt cơ bản.
Tạo ra các “phân tử” ánh sáng
Các photon thường đi qua nhau mà không hề tương tác – cho nên khái niệm một phân tử ánh sáng có vẻ thật lạ kì. Nhưng một photon thật sự tương tác với môi trường mà nó truyền qua, từ đó có thể làm ảnh hưởng đến cách mà môi trường phản ứng với những photon sau đó. Bằng cách xử lí tỉ mỉ tương tác này trong một chất khí nguyên tử cực lạnh, Mikhael Lukin tại Đại học Harvard và Vladan Vuletić tại Viện Công nghệ Massachusetts và các đồng sự đã làm cho các cặp photon hút lấy nhau khi chúng truyền qua môi trường. Kết quả là một phân tử hai photon của ánh sáng có thể được ứng dụng trong các hệ thống điện toán và viễn thông quang học.
Bản đồ vũ trụ gần như hoàn hảo
Hiểu biết căn bản của chúng ta về vũ trụ đã có một sự hiệu chỉnh quan trọng trong năm nay nhờ các nhà khoa học làm việc tại sứ mệnh Planck do Cơ quan Vũ trụ châu Âu đưa lên quỹ đạo vào năm 2009. Bây giờ chúng ta biết rằng phần vũ trụ cấu tạo bởi năng lượng tối nhỏ hơn trước đây người ta nghĩ một chút, nhưng có nhiều vật chất tối và vật chất bình thường hơn so với các nghiên cứu trước đây của bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) đề xuất. Chương trình Planck còn kết luận rằng vũ trụ già hơn khoảng 80 triệu năm so với trước đây người ta nghĩ. Ngoài ra, dữ liệu Planck còn chứa những dấu hiệu trêu ngươi của các dị thường trong nhiệt độ của CMB ở những phần khác nhau của vũ trụ, cái có thể chỉ dấu nền vật lí mới.
Kính hiển vi lượng tử nhìn xuyên nguyên tử hydrogen
Những ai từng học khoa học đều từng thấy hình ảnh minh họa của các orbital nguyên tử, nhưng cho đến năm nay thì người ta mới thật sự chụp được ảnh trực tiếp của một orbital. Stodolna và Vrakking đã chụp nhanh ảnh nguyên tử với “kính hiển vi lượng tử” mới cảu họ, nó phát hiện các electron được ánh sáng laser giải phóng khỏi các nguyên tử helium. Khi các nguyên tử được đưa vào một trạng thái Rydberg với một orbital cực kì lớn, kết quả là một bức ảnh rõ ràng của cấu trúc thắt nút của orbital đó.
Duy trì trạng thái lượng tử trong 39 phút ở nhiệt độ phòng
Các hệ thống thông tin lượng tử hoạt động dựa trên các trạng thái lượng tử duy trì đủ lâu để thông tin được xử lí. Thật không may, sự nhiễu, nhiệt và các yếu tố m khác làm cho đa số các trạng thái lượng tử sớm phân hủy trước khi chúng có ích. Cái Mike Thewalt và các đồng sự ở trường Đại học Simon Fraser đã làm là tìm ra một cách làm cho các spin hạt nhân trong một miếng silicon duy trì bản chất lượng tử chúng trong 39 phút. Thành công này đã phá kỉ lục trước đây là 2 s và có thể mang chúng ta tiến gần hơn bước nữa đến với “tiền tệ lượng tử”, cái sẽ không thể nào làm giả được.
Máy vi tính sợi carbon đầu tiên
Các ống nano carbon là những ổng nhỏ xíu làm bằng carbon có thành dày cỡ một nguyên tử. Chúng có các tính chất điện tử khiến người ta khao khát, trên nguyên lí chúng có thể được sử dụng để chế tạo các dụng cụ điện tử nhanh hơn và hiệu quả năng lượng hơn. Trong khi các nhà nghiên cứu khác đã tạo ra các transistor và các dụng cụ khác, Max Shulaker và các đồng sự tại Đại học Stanford đã phát triển một bộ kĩ thuật chế tạo mới cho phép họ tích hợp 178 transistor gốc ống nano cảbron để chế tạo một máy vi tính có khả năng lưu trữ và khai thác một phần mềm.
Phân cực mode-B trong phông nền vi sóng vũ trụ
Đó là một thành tựu khác từ Nam Cực. Lần đầu tiên người ta phát hiện thấy một sự xoắn nhẹ ở ánh sáng thu từ phông nền vi sóng vũ trụ (CMB), gọi là phân cực mode-B. Sự phân cực xoắn này đã được dự đoán từ lâu và việc phát hiện ra nó lát đường cho người ta kiểm tra rõ ràng sự lạm phát – một lí thuyết then chốt trong mô hình Vụ nổ Lớn của vũ trụ.
Ngưng tụ Bose-Einstein làm lạnh bằng laser đầu tiên
Phương pháp truyền thống để tạo ra các ngưng tụ Bose–Einstein (BEC), về cơ bản là những trạng thái lượng tử vĩ mô, là làm lạnh một chất khí nguyên tử bằng laser đến một nhiệt độ gần không độ tuyệt đối và sau đó cho phép các nguyên tử nóng còn lại thoát qua “sự làm lạnh bay hơi”. Tuy nhiên, quá trình này tốn nhiều thời gian và loại mất đa số các nguyên tử ban đầu. Nay một đội đứng đầu bởi Florian Schreck ở Đức lần đầu tiên làm lạnh một BEC chỉ riêng bằng laser, đó là một kĩ thuật hiệu quả hơn nhiều và có thể cho phép các BEC được sử dụng trong nhiều ứng dụng thực tiễn hơn, kể cả laser nguyên tử.
Đồ thị mật độ electron (trục ngang) theo độ lớn từ trường theo số liệu của đội Columbia (Ảnh: C R Dean et al. Nature 10.1038/nature12186)
Cánh bướm Hofstadter ở graphene
Gần 40 năm trước, Douglas Hofstadter đã tính được các mức năng lượng của các electron đặt trong một từ trường trong một mạng chất rắn 2D và kết quả là một hình ảnh fractal đẹp trông tựa như cánh bướm. Trong khi cánh bướm đó đã được tìm thấy trong các thí nghiệm tương tự với các chất rắn 2D, nhưng nó chưa từng được nhìn thấy trong một vật liệu rắn thực tế. Nhưng trong năm nay, ba nhóm nghiên cứu độc lập nhau để nhìn thấy cánh bướm đó trong các hệ graphene. Như bạn có thể thấy từ hình ảnh đẹp lộng lẫy ở trên, việc chúng ta chờ đợi thành tựu từ hướng nghiên cứu là rất đáng.
Theo physicsworld.com
