Với một nâng cấp cho detector SuperKamiokande, các nhà vật lí neutrino sẽ tiếp cận được các vụ nổ siêu tân tinh trong quá khứ.
Vào năm 1987, vụ nổ của một ngôi sao đồ sộ đã tạo ra một màn trình diễn ánh sáng rực rỡ bên trong Đám mây Magellan Lớn, một thiên hà vệ tinh nhỏ đang quay xung quanh Ngân Hà. Sự kiện thảm khốc ấy, còn gọi là siêu tân tinh, được nhìn thấy bởi các kính thiên văn trên Trái Đất.
Thế nhưng trước khi ánh sáng từ vụ nổ sao ấy đi tới hành tinh chúng ta, thì ba đài thiên văn, trong đó có đài quan trắc neutrino Kamiokande ở Nhật Bản, đã thu được tín hiệu từ một loại hạt khác được sản sinh trong vụ nổ: các neutrino.
Các hạt neutrino, mặc dù khó tóm bắt, mang đi hầu hết năng lượng giải phóng trong những vụ nổ sao này. Bằng cách khảo sát chúng, các nhà vật lí có thể hiểu rõ hơn các đặc tính của neutrino và thăm dò sự vận hành bên trong của siêu tân tinh.
“Thật sự chẳng có cách nào nhìn vào bên trong trái tim của một ngôi sao đang chết ngoại trừ thông qua các neutrino,” phát biểu của Mark Vagins, một nhà vật lí thực nghiệm tại Viện Kavli Vật lí và Toán học Vũ trụ thuộc Đại học Tokyo.
Trong ba thập niên vừa qua, các nhà vật lí đã kiên nhẫn chờ đợi siêu tân tinh láng giềng tiếp theo. May thay, chờ đợi không còn là lựa chọn duy nhất nữa rồi.
Thiết bị thay thế Kamiokande, gọi là Super-Kamiokande, sắp được nâng cấp. Bổ sung thêm nguyên tố đất hiếm gadolinium cho Super-K sẽ cho phép các nhà nghiên cứu tìm kiếm neutrino không những đến từ các siêu tân tinh tương lai, mà còn đến từ các vụ nổ sao trong lịch sử của vũ trụ chúng ta.
“Cứ vài ba giây, một siêu tân tinh xảy ra ở đâu đó trong vũ trụ, và chúng đều sản sinh neutrino,” theo lời Masayuki Nakahata, phát ngôn viên cho Super-K. “Bằng cách sử dụng công nghệ mới này, chúng ta sẽ có thể dò tìm các neutrino đó.”
Tách tín hiệu ra khỏi nền nhiễu
Đài quan trắc Super-K nằm dưới ngọn núi Ikeno, một khu mỏ sâu 3300 foot bên dưới lòng đất ở miền trung Nhật Bản. Detector này được bao bọc bên trong một bể thép không rỉ hình trụ cao bằng Tượng Nữ thần Tự do. Bên trong bể chứa đầy 50.000 tấn nước siêu tinh khiết và được bố trí gần 13.000 bộ cảm quang – các bóng đèn vàng phát hiện các chớp sáng được tạo ra khi neutrino đi qua.
Vào đầu những năm 2000, nhóm hợp tác Super-K đã thử dò tìm neutrino đến từ các siêu tân tinh quá khứ, chúng được gọi chung là phông nền neutrino siêu tân tinh khuếch tán. Trên lí thuyết, Super-K là đủ lớn để tìm kiếm những hạt này. Thế nhưng tín hiệu đang bị che đậy bởi “phông nền nhiễu” do các quá trình khác gây ra.
Neutrino xuất hiện ở dạng ba “mùi”: neutrino electron, neutrino muon và neutrino tau. Các siêu tân tinh giải phóng neutrino lẫn đối hạt phản vật chất của chúng, tức phản neutrino, với các mùi khác nhau, song các neutrino tương tác thường gặp nhất bên trong các detector như Super-K là phản neutrino electron. Khi một hạt trong số này đi tới tiếp xúc với các phân tử hydrogen trong detector Super-K, nó giải phóng một positron, cùng với một hạt khác. Quá trình này tạo ra một lóe sáng mà các bộ cảm biến Super-K có thể nhận ra.
Vấn đề là, một số hạt khác – trong đó có neutrino electron liên tục tuôn đến từ mặt trời và đi qua Super-K thường xuyên hơn các phản neutrino electron đến từ các siêu tân tinh – cũng tạo ra dấu hiệu tương tự vậy.
Tại một hội nghị neutrino ở Munich hồi năm 2002, Vagins và người đồng sự John Beacom, một nhà vật lí lí thuyết nay làm việc tại Đại học Bang Ohio, đã đi tới một giải pháp cho vấn đề này: “John và tôi quả quyết rằng phải có một cách nhìn thấy những thứ đáng ghét này,” Vagins nói. “Chúng tôi đã nói về nhiều cách tiếp cận khác nhau và nhanh chóng nhận ra rằng chúng tôi sắp phải sử dụng gadolinium.”
Hai nhà nghiên cứu nhận thấy rằng gadolinium, một kim loại đất hiếm, sẽ là một chất phụ gia giá trị cho Super-K do một tính chất nhất định. Gadolinium đặc biệt hiệu quả ở việc nhận biết một loại hạt khác được tạo ra khi một phản neutrino electron đập trúng nước nguyên chất trong detector Super-K: neutron.
Nếu thêm gadolinium vào detector Super-K, nó sẽ tương tác với neutron do phản neutrino electron giải phóng để tạo một xung sáng thứ cấp.
Hai lóe sáng, được Vagins và Beacom đặt tên là “nhịp tim gadolinium”, sẽ chỉ đến từ phản neutrino electron – chúng sẽ không được tạo ra bởi các neutrino electron đến từ mặt trời hay trong các tương tác với các hạt khác mà cho đến nay vẫn cản trở việc dò tìm các phản neutrino electron có nguồn gốc siêu tân tinh.
“Chúng tôi kì vọng phông nền sẽ giảm đi 10.000 lần,” Vagins nói. “Đó là một mối lợi rất lớn.”
Thuyết phục đám đông
Khi Beacom và Vagins mới đề xuất ý tưởng bổ sung gadolinium cho Super-K trước nhóm hợp tác, nó không được chào đón nhiệt tình như họ kì vọng. Các đồng sự của họ thấy ấn tượng trước khả năng này, nhưng họ e ngại rằng gadolinium có thể gây hại cho detector đáng giá nhiều triệu đô này.
Các nhà nghiên cứu e ngại rằng gadolinium có thể ăn mòn thép, làm thay đổi độ trong suốt của nước, hoặc đưa thêm hoạt động phóng xạ vào trong detector. “Có một danh sách dài các vấn đề, và chúng tôi phải xét qua từng vấn đề một và chỉ ra rằng, không, nó không phải là vấn đề,” Vagins nói.
Còn có những thách thức khác phải vượt qua, ví như chỉ rõ cách hòa tan gadolinium vào trong nước. Điều này không xảy ra tự nhiên. (Câu trả lời là: Kết hợp nó với sulfate để tạo muối gadolinium sulfate.)
Để kiểm tra tính khả thi của kế hoạch, các nhà khoa học Super-K đã xây dựng một phiên bản thu nhỏ của detector tên gọi là Đánh giá Tác động của Gadolinium lên Hệ thống Detector, hay EGADS. Phiên bản thu nhỏ này của detector được bố trí 240 bộ cảm quang và có sức chứa 200 tấn nước. Đội nghiên cứu cho đổ đầy nước cực tinh khiết chứa gadolinium vào bể nguyên mẫu, sau đó đậy kín nó trong khoảng hai năm rưỡi đồng thời cho chạy các thử nghiệm để đánh giá năng lực của detector.
Đồng thời, Beacom và đội của ông đang hối hả cho đợt nâng cấp sắp tới bằng cách tiến hành các đánh giá lí thuyết, ví dụ như khảo sát các chi tiết tín hiệu phông nền bên trong detector chứa gadolinium và các tín hiệu có thể nhìn thấy bên nó.
Nhóm hợp tác Super-K đã phê chuẩn việc nâng cấp gadolinium hồi tháng Sáu 2015. Song đến 2017 thì mới có đợt kiểm tra cuối cùng khi một nhóm nhà khoa học, trong đó có Vagins, mặc trang phục bảo hộ (vì da người có tính phóng xạ cao, ít nhất là so với nước cực tinh khiết) và mở EGADS lên đánh giá xem có hư hỏng gì không.
“Đó là một thời khắc ngộp thở,” Vagins nhớ lại. “Nhưng khi chúng tôi mở ra, mọi thứ vẫn sáng bóng và xinh đẹp. Mọi người ai cũng thở phào nhẹ nhõm.”
Minh họa: Sandbox
Nâng cấp detector
Nhóm hợp tác Super-K sẽ bắt đầu cho gadolinium vào detector vào mùa xuân tới. Họ dự kiến bắt đầu ở mức 0,01% gadolinium và sẽ bổ sung thêm dần dần. Ở nồng độ 0,01%, gadolinium sẽ có thể bắt giữ khoảng một nửa số neutron xuất hiện trong detector.
Để chuẩn bị cho thêm gadolinium, hồi năm ngoái, các nhà khoa học đã tháo mở Super-K lần đầu tiên trong 12 năm để thực hiện một số sửa chữa. Công việc bao gồm thay thế các ống nhân quang bị vỡ, gắn thêm ống mới, làm sạch bên trong, và hàn kín một chỗ rò. Kể từ khi nó bắt đầu chạy, Super-K mất khoảng 1 tấn nước mỗi ngày, Nakahata cho biết. Chuyện này không thành vấn đề vì bể chứa đầy nước. Tuy nhiên, nay bổ sung thêm gadolinium vào, nên họ phải đảm bảo rằng chất lỏng ấy không rò rỉ vào môi trường.
Gadolinium có tác dụng với sức khỏe giống như muối ăn, Vagins nói. “Một cá nhân tiêu biểu nếu tiêu thụ trực tiếp hàng ounce gadolinium thì sẽ gặp rắc rối, nhưng vì toàn bộ nước trong Super-K chỉ chứa 0,1% gadolinium, nên người ta có uống phải một gallon nước lấy từ bể thí nghiệm cũng chẳng hề gì,” ông nói. “Mặc dù gadolinium tương đối vô hại, song chúng tôi chẳng muốn nó rò rỉ vào vùng núi ấy hay rò rỉ sang cộng đồng.”
Super-K chứa gadolinium sẽ cùng lúc tìm kiếm các neutrino đến từ mọi siêu tân tinh từng xảy ra trong vũ trụ. Mỗi siêu tân tinh sản sinh vô số neutrino, song cơ hội dò được một neutrino đến từ các siêu tân tinh bên ngoài Ngân Hà là rất nhỏ, Beacom giải thích. Bằng cách nhìn vào toàn bộ phông nền neutrino siêu tân tinh khuếch tán, thí nghiệm sẽ có thể nhận ra chừng hai đến sáu neutrino mỗi năm.
Các neutrino đó sẽ cho phép các nhà vật lí giải quyết một số trong nhiều bí ẩn chưa có lời giải về siêu tân tinh. Chẳng hạn, bằng cách làm cho nó có thể phát hiện neutrino đến từ các siêu tân tinh trong suốt lịch sử của vũ trụ chúng ta, detector nâng cấp sẽ giúp các nhà khoa học nhận dạng tốt hơn các đặc trưng của một vụ nổ sao tiêu biểu.
Gadolinium còn khiến Super-K nhạy hơn nhiều với sự phân rã proton – một hiện tượng cho đến nay vẫn chưa được quan sát thấy – và có thể phân biệt tốt hơn giữa neutrino và phản neutrino.
“Tôi nghĩ việc thêm gadolinium vào Super-K là một phát triển rất hứng thú,” theo lời André de Gouvêa, một nhà vật lí hạt lí thuyết tại Đại học Northwestern, người không liên quan gì với chuyện nâng cấp này. “Tôi cam chắc rằng chúng ta sẽ học được đôi điều thú vị về lịch sử vũ trụ, các vụ nổ siêu tân tinh, và các đặc tính của neutrino.”
Cuối cùng, Vagins hi vọng nhóm hợp tác Hyper-Kamiokande – hồi năm 2018 nhóm đã kêu gọi tài trợ xây dựng một thí nghiệm tiếp nối Super-K sẽ chứa đầy 260.000 tấn nước – cũng sẽ thêm gadolinium cho detector của nó.
Trong khi đó, đã có một số detector khác đang lên kế hoạch sử dụng gadolinium theo cách tương tự. Trong số này bao gồm thí nghiệm XENONnT tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Gran Sasso ở Italy – nó tìm kiếm các hạt vật chất tối, và Máy theo dõi Phản neutrino Nước Cherenkov (WATCHMEN), một thí nghiệm do Anh và Mĩ tài trợ đặt tại khu mỏ Boulby ở Anh – nó sẽ kiểm tra tính khả thi của việc nhận dạng phản ứng hạt nhân bằng cách theo dõi các phản neutrino mà chúng tạo ra.
Vagins kì vọng thấy được nhiều sự hăng hái hơn nữa đối với gadolinium một khi các nhà khoa học Super-K chứng minh được giá trị của nó. “Tôi nghĩ một khi chúng tôi cho chạy Super-K với gadolinium, và người ta đã quen với ưu thế vật lí [của nó], thì sẽ khó mà ngăn được các thí nghiệm tương lai triển khai nó,” ông nói.
Nguồn: Symmetry Magazine
