Mở rộng săn tìm neutrino tại Nam Cực

Đợt nâng cấp sắp tới cho detector IceCube sẽ đem lại những nhận thức sâu sắc hơn về các neutrino.

Nằm sâu dưới lòng đất mênh mông, băng giá của Nam Cực là IceCube, một đài quan trắc khổng lồ dành riêng cho việc tìm kiếm các hạt hạ nguyên tử ma quái gọi là neutrino. Các neutrino tuồn qua Trái Đất từ mọi hướng, nhưng chúng rất nhẹ, rất dồi dào và khó tương tác với môi trường xung quanh.

Detector IceCube gồm một ma trận 86 dây giăng ngang giăng dọc với hơn 5.000 cảm biến, trông tựa như những dây đèn Giáng Sinh tròn, cỡ bằng quả bóng rỗ. Chúng vươn sâu hơn 2 km (hơn 1 dặm) xuống dưới các lớp băng Nam Cực vốn đã tích tụ hàng trăm nghìn năm.

Một tỉ lệ nhỏ neutrino đi qua lớp băng sẽ va chạm với các nguyên tử băng và giải phóng những cơn mưa hạt, một số sẽ được các cảm biến của IceCube phát hiện dưới dạng các đốm sáng xanh. Bằng cách khảo sát kiểu ánh sáng đó, các nhà khoa học có thể nhận ra và đánh giá các neutrino đến, một phần trong số chúng có nguồn gốc bên ngoài hệ Mặt Trời của chúng ta.

Vào tháng Bảy 2019, nhóm hợp tác IceCube công bố rằng Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kì đã cấp 23 triệu đô trong số 37 triệu đô để nâng cấp IceCube, với số tiền còn lại được đóng góp từ Đại học Michigan, Đại học Wisconsin-Madison, và các cơ quan ở Đức và Nhật Bản.

Đợt nâng cấp sẽ lắp thêm bảy dây cảm biến cho detector, cùng với các trang thiết bị mới để đặc trưng hóa lớp băng. Mở rộng này sẽ cho phép các nhà vật lí hiểu rõ hơn về cách các neutrino dao động giữa ba mùi của chúng: electron, muon và tau. Các nhà khoa học còn lên kế hoạch thực hiện các phép đo chính xác hơn về lõi băng của IceCube để nhìn kĩ hơn vào các neutrino đến từ vũ trụ xa xôi.

Khi các neutrino vũ trụ lao vào detector IceCube, các tương tác đó sinh ra các hạt thứ cấp chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong băng, tạo ra một đốm sáng xanh mờ nhạt có thể phát hiện được. Ảnh: Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube

Các tín hiệu ngoài địa cầu

IceCube được điều hành bởi một nhóm quốc tế gồm hơn 300 nhà khoa học đến từ 12 quốc gia. Một trong những mục tiêu chính của nó là nhận dạng các neutrino vũ trụ. Người ta biết các neutrino đến từ vũ trụ xa có năng lượng đặc biệt cao khi chúng lao vào Trái Đất, so với các anh em ở gần hơn của chúng. Bằng cách nghiên cứu các hạt ngoài hành tinh này, các nhà vật lí hi vọng nhận ra các máy gia tốc vũ trụ mạnh đã tạo ra các chùm hạt năng lượng cực cao.

IceCube có bước đột phá chủ yếu của nó vào năm 2013 khi nó nhận ra hai neutrino năng lượng cực cao đến từ bên ngoài hệ Mặt Trời. Các sự kiện này, được đặt tên là Bert và Ernie, trở thành những sự kiện đầu tiên trong nhiều thí nghiệm dò tìm neutrino vũ trụ, theo lời Olga Botner, một nhà vật lí tại Đại học Uppsala ở Thụy Điển, cựu phát ngôn viên cho IceCube.

“Chúng tôi biết mình đang gặp khó khăn,” bà nói. “Chúng tôi quan sát đâu chỉ neutrino khí quyển mà cả neutrino đến từ bên ngoài thiên hà chúng ta nữa. Số lượng lớn lắm.”

Bốn năm sau, các nhà vật lí IceCube dò được một neutrino ngoài địa cầu, từ đây thúc đẩy các nhà khoa học trên khắp thế giới đổ vào tìm kiếm nguồn gốc của nó. Cuộc săn lùng toàn cầu này đã cho phép các nhà khoa học định vị được nơi ra đời của hạt neutrino ấy: một thiên hà cực kì sáng gọi là một blazar. Mỗi blazar tác dụng như một máy gia tốc vũ trụ, phun ra một dòng hạt liên tục từ lõi của nó.

Đài quan trắc IceCube ở Nam Cực. Ảnh: Martin Wolf/NSF/IceCube

“Làm việc với IceCube rất hứng thú,” phát biểu của Delia Tosi, một nhà khoa học trợ lí tại Trung tâm Thiên văn Vật lí Hạt IceCube Wisconson (WIPAC). “Chẳng có chỗ nào chán hết.”

Phần lớn neutrino vũ trụ đến từ đâu thì vẫn là một bí ẩn. Thế nhưng vốn liếng khoa học của IceCube đã được mở rộng kể từ những khám phá đầu tiên đó. Các nhà khoa học còn sử dụng IceCube để khảo sát cách neutrino biến đổi từ dạng này sang dạng khác – điều đó có thể giúp xác định có hay không những loại neutrino mới mà chúng ta vẫn chưa biết – đồng thời tìm kiếm vật chất tối và mô tả đặc trưng cách ánh sáng truyền trong băng Nam Cực.

“Khi chúng tôi khởi động IceCube, chúng tôi tập trung 90% vào việc tìm kiếm các nguồn điểm của neutrino thiên văn vật lí,” phát biểu của nhà vật lí Kael Hanson, giám đốc WIPAC. “Khi đang thiết kế thí nghiệm đó, chúng tôi thật sự chẳng biết chương trình khoa học đó rồi sẽ phong phú ra sao.”

Nâng cấp trên nền băng

Với đợt nâng cấp sắp tới, có hơn 700 cảm biến mới trên bảy dây sẽ được gắn thêm vào lõi của IceCube. Lõi IceCube hiện nhung nhúc dây hơn phần còn lại của detector, khiến nó có khả năng cao hơn trong việc phát hiện các hạt ở năng lượng thấp. Các cảm biến mới sẽ đẩy độ nhạy đó thêm nữa. “Chúng tôi hiện đang đẩy ngưỡng năng lượng xuống 10 lần,” Hanson cho biết.

Lõi dày đặc hơn sẽ cho phép các nhà khoa học khảo sát tường tận hơn về hàng trăm nghìn neutrino khí quyển bắn phá detector mỗi năm. Điều này sẽ cho phép các nhà vật lí thực hiện các phép đo chính xác hơn về neutrino tau, sau đó có thể hiểu rõ hơn về các dao động neutrino – đặc biệt là cách neutrino muon biến đổi thành neutrino tau.

“Chúng ta không hiểu lắm cách neutrino có thể tự phát biến hình từ mùi này sang mùi khác,” Botner nói. “Nếu tồn tại những khác biệt giữa dự đoán của chúng ta và cái chúng ta quan sát, thì đây sẽ là một gợi ý về những loại neutrino chưa biết – cái gọi là neutrino vô sinh.”

Để lắp thêm các dây mới vào detector, các nhà khoa học phải khoan sâu vào băng, sử dụng các dòng nước nóng áp suất cao. Trong quá trình nâng cấp, các nhà khoa học sẽ triển khai các trang thiết bị bổ sung, ví dụ như camera và các nguồn sáng, cùng với detector để giúp chúng mô tả đặc trưng về lớp băng.

Khi nước đóng băng trở lại xung quanh các dây – một quá trình có thể mất vài tuần – lớp băng hình thành có thể chứa bụi và bọt bóng. Các khiếm khuyết này sẽ gây khó khăn cho việc nhìn thấy các dấu hiệu neutrino.

Không những mô tả đặc trưng lớp băng có thể giúp các nhà khoa học đánh giá chính xác hơn các quan trắc trong tương lai, mà các nhà nghiên cứu còn có thể áp dụng kiến thức mới này cho dữ liệu đã thu thập trước đây. “Trên nguyên tắc, chúng tôi có thể hiệu chỉnh lại toàn bộ dữ liệu và cải thiện năng lực truy tìm nguồn phát [neutrino],” phát biểu của Dawn Williams, một nhà thiên văn vật lí hạt tại Đại học Alabama.

Nhóm hợp tác IceCube lên kế hoạch bắt đầu khoan vào cuối năm 2022. Đồng thời, nhóm đang chuẩn bị các cảm biến và các bộ phận khác cho đợt nâng cấp, cùng với phần mềm sẽ sử dụng để chạy detector sau nâng cấp. Đội kì vọng bắt đầu thu thập dữ liệu vào mùa xuân 2023.

Đợt nâng cấp sẽ còn một mục đích khác nữa: kiểm tra các thiết kế cảm biến mới mà các nhà khoa học hi vọng có thể triển khai ở IceCube-Gen2, một detector được đề xuất sẽ to gấp 10 lần cái hiện nay. Đài quan trắc siêu cỡ đó sẽ cho phép các nhà khoa học tiến hành các phép đo chính xác hơn về neutrino và phát hiện các hạt năng lượng cực-cao hơn nữa đến từ không gian bên ngoài, nâng cao khả năng định vị nguồn gốc của chúng.

Nguồn: Symmetry Magazine

Bài trước | Bài kế tiếp