Tin vui kép cho phòng thí nghiệm neutrino Italy

Các nhà vật lí hạt tại phòng thí nghiệm Gran Sasso ở Italy có hai lí do để ăn mừng. Một là lần đầu tiên phát hiện ra, bởi thí nghiệm OPERA, một neutrino được biến đổi từ một loại neutrino khác khi nó truyền trong không gian. Thành tựu thứ hai là sự khởi động của máy dò hạt ICARUS, cỗ máy giống như OPERA sẽ nghiên cứu các neutrino “dao động” trên hành trình của chúng đến từ phòng thí nghiệm CERN ở ngoại ô Geneva ở Thụy Sĩ.

Neutrino là những hạt sơ cấp không mang điện xuất hiện ở ba dạng, hay ba “mùi” – electron, muon và tau. Vào những năm 1950, nhà vật lí người Italy Bruno Pontecorvo đã dự đoán rằng các neutrino sẽ biến đổi, hay dao động, từ mùi này sang mùi khác khi chúng truyền trong không gian, một tính chất hàm ý rằng các neutrino có khối lượng – trái với nền tảng cơ sở của Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt. Quan điểm này sau đó được ủng hộ bởi các thí nghiệm tìm thấy Mặt trời đang sản sinh ra ít lượng neutrino electron hơn trông đợi, và bởi những thí nghiệm sau đó phát hiện ra sự thâm hụt neutrino muon sinh ra bởi các tia vũ trụ tương tác trong khí quyển của Trái đất.

Trong những thí nghiệm này, hiện tượng dao động chỉ được suy luận ra một cách gián tiếp. Một sự suy giảm số lượng neutrino phát ra từ nguồn của chúng đến máy dò của chúng được cho rằng có nghĩa là một số hạt này đã dao động sang một mùi neutrino khác không thể nhận ra bởi máy dò hạt.

alt

Ảnh do máy tính tái dựng của sự kiện ứng cử viên tau phát hiện ra trong thí nghiệm OPERA. Vết màu lam nhạt là một khả năng có thể gây ra bởi sự phân hủy của một lepton tau do một neutrino tau sinh ra. (Ảnh: phòng thí nghiệm Gran Sasso)

Một cách tiếp cận khác

OPERA và ICARUS, hai máy dò hạt đặt trong phòng thí nghiệm của Viện Vật lí Hạt nhân Quốc gia Italy ở sâu chừng 1400 m bên dưới ngọn núi Gran Sasso ở miền trung Italy, chọn một cách tiếp cận khác. Cả hai máy dò hạt được thiết kế để tìm kiếm dấu hiệu của các neutrino tau mà lí thuyết tiên đoán sẽ thu được từ sự dao động của một số neutrino muon chứa trong một chùm sinh ra tại CERN và xuyên 730 km qua lòng đất đến Gran Sasso. Mặc dù các nhà vật lí tin rằng những phép đo vô hiệu khác, thực hiện cùng nhau, cấu thành nên một bằng chứng rất mạnh cho sự dao động neutrino, những các dấu hiệu tau sẽ bác bỏ khả năng ít có rằng các neutrino muon đang biến mất thay vì đang phân hủy hoặc biến mất vào các chiều cao hơn.

Thiết bị OPERA nặng 1250 tấn, cho một chương trình hợp tác gồm khoảng 170 nhà vật lí đến từ 12 quốc gia tham gia xây dựng, phát hiện ra các neutrino sử dụng 150.000 “viên gạch”, mỗi viên gạch gồm nhiều lớp xen kẽ chì và các màng mỏng nhũ tương hạt nhân. Những viên gạch này ghi lại đường đi của các sản phẩm phân hủy thu được từ sự tương tác của các neutrino với các hạt nhân chì, mỗi neutrino để lại vết tích với một hình dạng đặc trưng. Các neutrino tau tạo ra một hạt tích điện gọi là lepton tau, hạt này sau đó phân hủy thành một muon, hadron hoặc electron, để lại một vết tích rất ngắn với một nút thắt đặc thù trong đó.

Tương tác yếu

Thực tế các neutrino tương tác cực kì yếu với vật chất bình thường có nghĩa là chỉ một phần rất nhỏ trong hàng tỉ neutrino trong chùm hạt CERN đi qua OPERA mỗi giây sẽ để lại vết tích của chúng trong máy dò. Kể từ khi máy dò bắt đầu hoạt động vào năm 2006, thí nghiệm trên đã phát hiện ra một vài nghìn neutrino muon nhưng cho đến ngày 22 tháng 8 năm ngoái thì nó mới phát hiện ra neutrino tau đầu tiên của mình. Các nhà nghiên cứu cho biết độ tin cậy 98% là tín hiệu của họ do một neutrino tau gây ra. Theo phát ngôn viên OPERA, Antonio Ereditato thuộc trường đại học Bern ở Thụy Sĩ, sự quan sát rõ ràng một neutrino tau sẽ đòi hỏi có thêm nhiều sự kiện như thế được ghi nhận. “Yêu cầu này đòi hỏi mất thêm vài năm nữa”, ông nói, “nhưng các nhà vật lí vốn có tính kiên nhẫn”.

Một tin vui nữa tại Gran Sasso là việc khánh thành một máy dò neutrino nữa, ICARUS, thiết bị sử dụng một kĩ thuật dò tìm hơi khác. Được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1977 bởi Carlo Rubbia, người cùng nhận giải Nobel 1984 cho việc khám phá ra các boson W và Z, thiết bị này bao gồm một bể chứa đầy một lượng lớn argon lỏng, lót các thành bể với những mặt phẳng dây dẫn và sau đó thiết lập một hiệu điện thế lớn hai bên bể. Bất kì hạt mang điện nào đi qua bể sẽ tạo ra các cặp ion tích điện dương và electron khi chúng chuyển động, với các electron đó không tái kết hợp trở lại sau đó trôi giạt về phía các mặt phẳng dây nơi chúng được ghi nhận là một tín hiệu. Chuỗi không gian của các tín hiệu tái dựng lại đường đi của các hạt tích điện và tiết lộ những hạt đó có được sinh ra bởi một neutrino tau hay không. ICARUS đã ghi nhận những sự kiện đầu tiên của nó vào hôm 27 tháng 5.