Alfred B. Bortz
Các máy dò hạt mới
Mặc dù nghiên cứu lí thuyết át trội tin tức những năm 1960 về nỗ lực tìm hiểu các hạt hạ nguyên tử, nhưng thập niên này cũng có một số phát triển đáng kể trong kĩ thuật dò tìm hạt. Đặc biệt, các nhà vật lí đã phát triển hai dụng cụ rất khác nhau để dò tìm các sự kiện hạ nguyên tử. Thứ nhất là buồng tia chớp do các nhà vật lí tại CERN thiết kế và tinh chỉnh trong suốt thập niên này. Các cơ sở máy gia tốc hạt khác sớm theo kịp với các buồng tia chớp của riêng họ. Các ảnh chụp buồng bọt tiết lộ các đường đi của hạt hạ nguyên tử, nhưng các nhà thực nghiệm phải chụp số lượng lớn ảnh trong những khoảng thời gian chừng một giây – thời gian cần thiết để tái sinh buồng cho một quan sát mới – với hi vọng tìm ra bằng chứng của những sự kiện hiếm hoi và rất ngắn ngủi. Trong đa số trường hợp, sự kiện xảy ra khi buồng đang tái sinh và do đó thoát khỏi sự dò tìm. Buồng tia chớp có thời gian tái sinh ngắn hơn nhiều so với buồng bọt. Các bộ phận chính của chúng là các tấm kim loại nhiễm điện với một chất khí xen ở giữa. Khi máy dò nhận thấy một hạt đang tìm đi qua, nó gửi tín hiệu để tích điện các tấm kim loại và kích hoạt một sự phóng điện (và một camera) nhanh đến mức vết ion hóa để lại phía sau trong chất khí chưa kịp mờ đi. Các tia lửa điện đi theo những đường dẫn ion hóa, và các ảnh chụp cho biết các tương tác đã xảy ra. Như vậy, buồng tia chớp cho các nhà vật lí một kĩ thuật chộp lấy nhiều sự kiện đang quan tâm hơn.
Giá trị của buồng tia chớp được nhận ra ngay tức thời, nhưng một dự án nghiên cứu khác với một máy dò hạt mới dường như hơi bất thường, và sự phản hồi khoa học của nó có vẻ kém rõ ràng hơn. Năm 1967, ở sâu dưới lòng đất trong Mỏ vàng Homestake ở South Dakota, Raymond Davis, Jr. (1914–2006), thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, đã xây dựng một máy dò hạt neutrino có bộ phận “khủng” nhất là một bể chứa 100.000 gallon chất tẩy rửa. Lí do sử dụng chất tẩy rửa là vì hàm lượng lớn các nguyên tử chlorine của nó. Hạt nhân thuộc một đồng vị chlorine đặc biệt, trong những trường hợp hiếm (nhưng phổ biến hơn đa số các hạt nhân khác), sẽ bắt lấy một neutrino. Sự bắt giữ biến đổi một trong các neutron của nó thành proton – một sự kiện phân hạch ngược. Bản thân hạt nhân đó trở thành một đồng vị của argon.
Lí do đặt máy dò hạt dưới lòng đất là để che chắn nó khỏi các tia vũ trụ. Đất đá ở phía trên máy dò hạt sẽ chặn dừng lại hầu như mọi thứ, nhưng các neutrino thì đi qua đều đặn vì một sự kiện phân hạch ngược đòi hỏi một sự va chạm gần như trực diện lên trên một neutron bên trong hạt nhân. Davis xem dụng cụ của ông là một máy dò neutrino từ Mặt trời đến. Mặt trời phát ra vô số neutrino là hệ quả của các sự kiện nhiệt hạch hạt nhân sản sinh năng lượng của nó. Các ngôi sao khác cũng phát ra neutrino, nhưng chúng ở quá xa nên các neutrino của chúng cũng chẳng đáng quan tâm. Đa số các neutrino đi xuyên qua Trái đất mà không tương tác gì cả, nên cần một thể tích lớn để dò tìm dẫu chỉ là vài ba sự kiện. Máy dò neutrino Homestake là cái thứ hai Davis xây dựng. Ông đã xây dựng một cái nhỏ hơn tại quặng đá vôi Ohio vào năm 1961. Máy dò hạt đó chứng tỏ các neutrino có thể phát hiện ra được, nhưng Davis biết ông cần một dụng cụ lớn hơn để mang về những kết quả đáng kể.
Nguyên do chính dò tìm neutrino mặt trời là để kiểm tra lí thuyết về những phản ứng nhiệt hạch đa dạng cấp nguồn cho các ngôi sao. Lí thuyết đó tiên đoán số lượng neutrino được trông đợi đi qua Trái đất trong mỗi giây. Từ con số đó, các nhà vật lí có thể tính ra lượng argon trông đợi trong chất tẩy rửa sau một sự lần phơi xạ lâu. Các kết quả thực nghiệm của máy dò hạt trên mang lại một bất ngờ: Số lượng neutrino mặt trời phát hiện ra ít hơn nhiều so với trông đợi. Các máy dò neutrino khác, lớn hơn đã được xây dựng, đáng chú ý nhất là Kamiokande và sau này là Super-Kamiokande thuộc Trung tâm Quốc tế Vật lí Hạt Sơ cấp, Đại học Tokyo, Nhật Bản, dưới sự chỉ đạo của giáo sư Masatoshi Koshiba (1926– ). Những máy dò hạt này xác nhận sự thiếu hụt neutrino và mang lại một ước tính chính xác hơn rằng hai phần ba lượng neutrino mặt trời đã không được trông thấy. Hoặc là lí thuyết nhiệt hạch mặt trời sai, hoặc là các neutrino không bị bắt giữ như trông đợi, hoặc là các máy dò hạt không phát hiện ra các sự kiện bắt giữ. Bài toán “thâm hụt neutrino” không có lời giải đáp mãi cho đến năm 2001 (xem chương 11), và lời giải đã mang lại cho các nhà vật lí sự tin tưởng rằng họ đã nhận ra tập hợp đầy đủ của các hạt sơ cấp. Năm sau đó, Davis và Koshiba được trao giải thưởng Nobel vật lí 2002 “cho những đóng góp tiên phong cho thiên văn vật lí học, đặc biệt là sự dò tìm các neutrino vũ trụ”.
Còn tiếp...
