Ở sâu bên trong một ngọn núi ở miền trung Italy, các nhà khoa học đang đặt một cái bẫy cho vật chất tối. Mồi gì ư? Một bể kim loại đồ sộ chứa 3200 kg xenon lỏng nguyên chất. Chất khí hiếm này là một trong những chất sạch nhất, chống bức xạ tốt nhất trên Trái Đất, khiến nó là một tấm bia lí tưởng để bắt giữ một số tương tác hạt hiếm nhất trong vũ trụ.
Nghe có vẻ mưu mô thật; theo lời Christian Wittweg, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Münster ở Đức, người đã làm việc với cái gọi là Nhóm hợp tác Xenon trong hơn 5 năm qua và mỗi ngày đi làm cảm giác như là “thủ vai ác” vậy. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu trốn dưới núi vẫn chưa bắt được hạt vật chất tối nào. Nhưng mới đây họ đã thành công trong việc phát hiện một trong những tương tác hạt hiếm gặp nhất trong vũ trụ.
Theo một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Nature ngày 24 tháng Tư 2019, đội khoa học gồm hơn 100 nhà nghiên cứu đã đo được, lần đầu tiên từ trước nay, sự phân rã của một nguyên tử xenon-124 thành một nguyên tử tellurium 124 thông qua một quá trình cực kì hiếm gọi là sự bắt giữ electron kép hai neutrino. Loại phân rã phóng xạ này xảy ra khi một hạt nhân nguyên tử hấp thụ đồng thời hai electron từ lớp vỏ electron ngoài cùng của nó, rồi phát ra một liều kép gồm hai hạt ma quỷ gọi là neutrino.
Với việc lần đầu tiên đo được sự phân rã độc đáo này, các nhà nghiên cứu đã có thể chứng minh chính xác phản ứng ấy hiếm đến mức nào và mất bao lâu để xenon 124 phân rã. Chu kì bán rã – nghĩa là thời gian cần thiết cho một nhóm nguyên tử xenon-124 biến mất một nửa – khoảng bằng 18 nghìn tỉ tỉ năm (1,8.1022 năm), đại khái khoảng 1 nghìn tỉ lần tuổi hiện nay của vũ trụ.
“Nói cách khác,” theo lời Wittweg, “giả sử bạn có 100 nguyên tử xenon 124 vào lúc loài khủng long tuyệt chủng hồi 65 triệu năm trước, thì nói đại khái, toàn bộ 100 nguyên tử đó vẫn còn nguyên cho đến ngày nay.”
Kết quả này đánh dấu chu kì bán rã dài nhất từng được đo trực tiếp trong phòng thí nghiệm. Duy nhất một quá trình phân rã hạt nhân trong vũ trụ có chu kì bán rã dài hơn: phân rã của tellurium-128, chu kì bán rã của nó gấp 100 triệu lần của xenon 124. Thế nhưng sự kiện vô cùng hiếm hoi này chỉ mới được tính trên giấy.
Các thành viên của Nhóm hợp tác Xenon lắp đặt detector vật chất tối của họ, nó chứa 3200 kg xenon lỏng. Mặc dù cho đến nay nhóm chẳng tìm thấy vết tích nào của vật chất tối, song họ thật sự đã phát hiện được sự phân rã phóng xạ dài thứ hai trong vũ trụ.
Một phân rã quý hiếm
Giống với các hình thức phổ biến hơn của sự phân rã phóng xạ, sự bắt giữ electron kép hai neutrino xảy ra khi một nguyên tử mất năng lượng do tỉ số proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử thay đổi. Tuy nhiên, quá trình này kén chọn hơn nhiều so với các mode phân rã thường gặp hơn và phụ thuộc vào một chuỗi “ăn may kinh khủng”. Việc có hàng tấn nguyên tử xenon để làm việc khiến những may rủi này có khả năng ăn ý với nhau hơn.
Đây là cách nó vận hành: Tất cả các nguyên tử xenon 124 đều được vây quanh bởi 54 electron, quay trong những lớp vỏ nhòe nhoẹt xung quanh hạt nhân. Sự bắt giữ electron kép hai neutrino xảy ra khi hai trong các electron, trong các lớp vỏ ở gần hạt nhân, đồng thời di cư vào hạt nhân, lao vào từng proton và biến đổi proton đó thành neutron. Là một sản phẩm phụ của quá trình biến đổi này, hạt nhân nhả ra hai neutrino, các hạt hạ nguyên tử khó tóm bắt không có điện tích và hầu như không khối lượng, chúng hầu như không bao giờ tương tác với thứ gì.
Các neutrino đó thoát vào không gian, và các nhà khoa học không thể đo chúng, trừ khi họ sử dụng trang thiết bị cực kì nhạy. Để chứng minh một sự kiện bắt giữ electron kép hai neutrino có xảy ra, các nhà nghiên cứu Xenon nhìn vào không gian trống rỗng để lại ở nguyên tử phân rã.
“Sau khi các electron bị hạt nhân bắt giữ, có hai lỗ trống để lại trong lớp vỏ nguyên tử,” Wittweg nói. “Những lỗ trống đó được lấp đầy từ các lớp vỏ cao hơn, tạo ra một đợt thác electron và tia X.”
Các tia X đó kí thác năng lượng trong detector, các nhà nghiên cứu có thể nhìn thấy rõ ràng năng lượng đó trong dữ liệu thực nghiệm của họ. Sau một năm quan sát, đội khoa học phát hiện gần 100 trường hợp nguyên tử xenon 124 phân rã theo cách này, đem đến bằng chứng trực tiếp đầu tiên của quá trình ấy.
Phát hiện mới này về quá trình phân rã dài thứ hai trong vũ trụ không đưa đội Xenon tiến thêm chút nào đến chỗ tìm thấy vật chất tối, song quả thật nó chứng minh được tính đáng tin cậy của detector. Bước tiếp theo trong các thí nghiệm của đội là xây dựng một bể xenon lớn hơn nữa – bể này có khả năng chứa hơn 8000 kg chất lỏng – để đem lại nhiều cơ hội phát hiện các tương tác hiếm.
Nguồn: LiveScience
