Neutrino, sứ giả của hai thế giới thái cực

Từ Thư viện Khoa học VLOS
Bước tới: chuyển hướng, tìm kiếm
Chia sẻ lên facebook Chia sẻ lên twitter Chia sẻ lên google-plus In trang này

Neutrino là thành phần nhỏ nhất của một thực tại vật chất mà con người đã từng hình dung ra, thành phần lớn nhất là Vũ trụ. Tìm hiểu cái này qua cái kia là tìm cách trải rộng quy mô trong đó định luật thiên nhiên biểu hiện dưới muôn hình[1].

1- Sơ lược hiện tình về hạt cơ bản và vũ trụ

Trong câu mở đầu của bản báo cáo về sự phát hiện lần đầu tiên ra hạt neutrino ở lò phản ứng hạt nhân Savannath River (South Carolina, Mỹ), hai nhà vật lý Cowan và Reines (giải Nobel 1995) dùng động từ hình dung ra, điều gây chút ngạc nhiên cho người viết bài này khi đọc lần đầu, nhưng suy ngẫm lại mới càng thấy thấm đượm.

Thực thế, khi con người xây dựng được một hệ thống nghiêm túc của những ý tưởng và suy luận chặt chẽ, nhất quán cũng như những ngôn từ tương xứng để diễn tả và giải thích thế giới bên ngoài, thì theo nghĩa đó họ đã hình dung ra thực tại thiên nhiên mà Hạt cơ bản và Vũ trụ là thí dụ điển hình về cái mà chúng ta hiểu biết về hai thái cực vô cùng nhỏ cũng như vô cùng lớn đó. Cái hiểu biết về thế giới tự nhiên này có phải là sự thật không? Hạt cơ bản neutrino có vai trò nào trong cuộc tìm kiếm cội nguồn của con nguời nối liền quá khứ với tương lai trong vũ trụ? chúng ta từ đâu đến, là gì, về đâu? những câu hỏi muôn thủa.

Tất nhiên hạt cơ bản (viên gạch vi mô tận cùng của vật chất, không sao chia cắt nổi) hay vũ trụ (tổng thể vĩ mô bao trùm vạn vật, kể cả không gian lẫn thời gian) - mà con người hình dung ra - không phải là duy nhất, sự hiểu biết về chúng phát triển tùy theo thời đại và các nền văn hóa.

D'Où Venons Nous/ Que Sommes Nous/ Où Allons nous (Chúng ta từ đâu đến/Chúng ta là ai/Chúng ta đi về đâu) - Tranh: Paul Gauguin ở Bảo tàng Mỹ thuật Boston.

Hết rồi thời xa xưa khi kim, mộc, thủy, hỏa, thổ là 5 thành phần sơ đẳng cốt lõi của vật chất, chỉ mới cách đây trăm năm thôi phân tử hãy còn được coi là hạt sơ cấp thì đủ thấy sự biến chuyển ra sao. Ngày nay chúng ta biết phân tử là tập hợp của nhiều nguyên tử khác nhau liên kết bởi electron ngoại vi, mà mỗi nguyên tử lại là hạt nhân của nó thu hút những electron dao động chung quanh bởi lực điện từ mà photon là sứ giả truyền tin, rồi hạt nhân nguyên tử cũng lại do proton cùng neutron gắn kết với nhau mà thành, sau hết proton và neutron cũng đều là trạng thái liên kết của quark u, d qua trao đổi gluon. Cứ thế như những con mẫu búp bê Nga liên hồi chứa đựng nhau, chuỗi dài của những hạt cơ bản đi từ phân tử đến quark là cả một quá trình sáng tạo, khám phá bền bỉ khi lên lúc xuống, lý thuyết cùng thực nghiệm chặt chẽ đan xen.

Theo sự hiểu biết hiện đại thì hạt cơ bản là quark và lepton, chúng là những viên gạch sơ đẳng tận cùng để cấu tạo nên vật chất bất động hay sinh động ít nhất là trên Trái đất, hệ Mặt trời, thâm chí cả trong giải Ngân hà.

Còn vũ trụ thì muôn hình vạn trạng, từ xa xưa đó là vũ trụ thần linh, huyền thoại, thiên đình, nhân dạng, địa tâm, nhật tâm trải dài từ các nền văn hóa Lưỡng Hà, Ai Cập, Ấn Độ, Trung Quốc, Maya …, đến nay thì vũ trụ được hiểu là ra đời cách đây khoảng 13.7 tỷ năm từ một trạng thái sơ khai ở đó nhiệt độ và năng lượng cực kỳ lớn dồn ép trong một không gian vô cùng nhỏ đã xảy ra một vụ nổ lớn kinh hoàng mang tên gọi Big Bang làm vũ trụ tăng dần kích thước.

Nơi xảy ra vụ nổ chính là chỗ bạn đang đọc bài này cũng như ở bất cứ nơi đâu trong toàn vũ bao la vì trong thời-điểm ấy mọi chỗ ngày nay tách biệt hàng tỷ năm ánh sáng thực ra đã cùng chụm lại ở cái không-điểm kỳ dị ấy, chẳng có một trung tâm vũ trụ ban đầu nào cả. Thuyết Big Bang tiên đoán sự hiện hữu tất yếu của một hiện tượng vật lý mang tên "bức xạ nền vũ trụ", đó là ánh sáng tàn dư của cái thuở ban đầu cực nóng mà nay lạnh chỉ còn 2°.725 độ Kelvin đang lan toả khắp nơi trong toàn vũ trụ. Sự khám phá tình cờ ra nó năm 1965 bởi Arno Penzias và Robert Wilson (giải Nobel 1978) là bằng chứng thực nghiệm rất thuyết phục về Big Bang. Ngày nay trong vũ trụ bao la đó có chừng 96% một cái năng-khối lượng gì mà chúng ta chưa từng biết , chúng mang tên gọi Năng lượng tối (chiếm khoảng 74%) và Vật chất tối (chiếm 22%). Còn lại chừng 4% là vật chất bình thường quen thuộc mà phản ứng tổng hợp nhiệt hạch của chúng làm chói sáng bầu trời ban đêm, trong đó neutrino, chi phối duy nhất bởi lực hạt nhân yếu, đóng vai trò cực kỳ quan trọng.

Năng lượng tối liên hệ đến sự dãn nở ngày càng tăng tốc của vũ trụ từ 7 tỷ năm gần đây mà ngược lại từ 13.7 đến 7 tỷ năm trước đó, do sức ép của trọng trường vật chất, vũ trụ đã giảm dần gia tốc tăng trưởng của thủa ban đầu Big Bang[2]. Còn Vật chất tối là ngôn từ để diễn tả sự gắn kết mạnh mẽ giữa các chùm thiên hà xa xăm không cho chúng phân tán. Vật chất tối kỳ lạ này không bức xạ, nghĩa là không bị chi phối bởi ba tương tác cơ bản quen thuộc (điện từ, mạnh và yếu của hạt nhân nguyên tử), khối lượng của nó chỉ có vai trò duy nhất là tạo ra trọng lực hút vào để giữ cho các thiên hà góp thành chùm chứ không tung bay khắp phía. Nguồn gốc và bản chất bí ẩn của năng lượng tối (mang tính chất đẩy ra) và vật chất tối (mang tính chất ép vào), hai thành phần chế ngự hầu như toàn diện vũ trụ, là đề tài nóng bỏng của thiên văn và vật lý hạt cơ bản hiện đại.

Kỳ lạ và bí ẩn thay, 96% năng - khối lượng của vũ trụ ở ngoài tầm hiểu biết hiện nay của con người!

Hình 1: Sơ đồ các hạt cơ bản

Trở lại hiện tình của các hạt cơ bản mà sơ đồ được tóm tắt trong Hình 1, chúng gồm có hai phần: những fermion (hạt có spin ½)[3] như quark và lepton và những boson chuẩn (hạt có spin 1) như photon, gluon và Z, W.

Có sáu loại quark mang ký hiệu u(up), d(down), s(strange), c(charm), t(top), b(bottom), và sáu loại lepton bao gồm ba hạt e– (electron), μ– (muon), τ– (tauon) mang điện tích âm -e, và ba hạt neutrino ve, vμ, vτ trung hòa điện tích, theo thứ tự ba hạt neutrino này bao giờ cũng sánh đôi từng cặp với ba hạt electron, muon, tauon trong sự vận hành. Sự cân bằng trong thiên nhiên về số lượng: 6 loại quark và 6 loại lepton không tình cờ mà là hậu quả sâu sắc (nhưng khá kỹ thuật chuyên môn) của đối xứng chuẩn trong lý thuyết trường lượng tử.

Chỉ có bốn lực cơ bản chi phối sự tương tác của vật chất, đó là các lực hạt nhân mạnh, yếu cùng với điện từ và hấp dẫn (hay thuyết tương đối rộng). Ba tương tác "phi hấp dẫn": mạnh, yếu, điện từ đã thành công trong việc được lượng tử hóa và tái chuẩn hóa (điều mà luật hấp dẫn của thuyết tương đối rộng không/chưa làm được), chính vì vậy mà ba lực này diễn giải nhất quán và chính xác những tác động của các hạt vi mô cơ bản.

  • Lực mạnh gắn kết quark trong hạt nhân nguyên tử và làm cho vật chất vững bền nói chung.
  • Lực điện từ diễn tả electron tương tác với proton trong hạt nhân nguyên tử để tạo nên các nguyên tử và phân tử của các hóa chất trong bảng tuần hoàn Mendeléev cũng như của các tế bào và gen sinh vật.
  • Lực yếu chi phối toàn diện sự vận hành của neutrino, làm cho một số hạt nhân nguyên tử phân rã và phát tán neutrino.

Quark cũng như lepton tương tác với nhau qua trao đổi các boson chuẩn (gauge boson). Boson chuẩn của lực mạnh là gluon, của lực điện từ là photon và của lực yếu là hai boson W, Z, chúng tựa như keo hồ có vai trò làm trung gian nối kết và truyền tải thông tin cho các viên gạch cơ bản quark và lepton tương tác với nhau và tạo thành vật chất.

Abdus Salam, người Pakistan, cùng với hai người Mỹ Sheldon Glashow và Steven Weinberg đã khám phá ra là mặc dầu hai định luật cơ bản điện-từ và yếu có cường độ tương tác quá khác biệt nhưng thực ra chúng có rất nhiều đặc tính chung và hơn nữa có thể kết hợp trong một tương tác duy nhất mà Salam đặt tên là Điện-Yếu. Sự thống nhất này được thực hiện nhờ một cơ chế gọi là Phá vỡ Tự phát tính Đối xứng (Spontaneous Breaking of Symmetry, SBS) mà người tiên phong mở đường là Yoichiro Nambu, giải Nobel 2008 và Peter Higgs dùng ý niệm SBS để tìm ra một kịch bản (gọi là cơ chế và hạt Higgs) mang khối lượng cho W, Z và cả cho quark lẫn lepton[4].

Thành tựu này gọi là Mô Hình Chuẩn (Standard Model) đã mang lại khoảng hai chục giải Nobel trong vài chục năm gần đây.

Tương tác mạnh (strong interaction) của các quark trao đổi gluon giữa chúng còn được gọi là Sắc động lực học lượng tử (Quantum Chromodynamics hay QCD), thuật ngữ vay mượn của Ðiện động lực học lượng tử (Quantum Electrodynamics hay QED) diễn tả tương tác điện từ của các hạt mang điện tích trao đổi photon giữa chúng.

Hình 2: tổng hợp nhiệt hạch: 2 proton → proton + neutron + e+ + ve
Hình 3: tổng hợp nhiệt hạch: 4 H → He4 + 2 e+ + 2 ve

Hai danh từ sắc và điện để chỉ định hai tính chất lượng tử riêng biệt, sắc tích (color charge) của quark và điện tích (electric charge) của lepton e–, μ–, τ–. Thuật ngữ sắc dùng ở đây chẳng có chút liên hệ gì tới màu sắc xanh, đỏ của ngôn ngữ bình thường. Theo một định lý sâu sắc của lý thuyết trường lượng tử liên kết spin với phép thống kê, vì có spin ½ nên khi 3 quark kết hợp với nhau trong trạng thái căn bản để tạo thành proton thì quark phải mang 3 đặc tính lượng tử (mà ta gọi là 3 sắc tích) để tuân thủ phép thống kê Fermi-Dirac. Quark khác lepton ở chỗ là ngoài sắc tích ra, chúng cũng mang điện tích, nhưng điện tích của chúng không phải là con số nguyên (-1)e như electron (hay muon và tauon) mà + (⅔)e cho ba quark u, c, t và - (⅓)e cho ba quark d, s, b. Con số 3 này đeo đuổi hoài nhà vật lý trứ danh Murray Gell-Mann (giải Nobel 1969) ở Đại học Caltech[5].

Chính vì quark có cả sắc tích và điện tích nên chúng bị chi phối bởi cả ba lực: mạnh, điện từ và yếu. Còn electron, muon, tauon vì mang điện tích nên bị tác động bởi hai lực: điện từ và yếu. Neutrino vì trung hòa điện tích nên chỉ bị chi phối duy nhất bởi lực yếu mà thôi. Thuật ngữ yếu thoạt nghe tưởng như nhỏ yếu ít tác động, nhưng thực ra nó chủ chốt chi phối các phản ứng tổng hợp nhiệt hạch trong các thiên thể, phát tán ra năng lượng cực kỳ cao mang ánh sáng cho bầu trời ban đêm cũng như phóng ra hàng muôn tỷ hạt neutrino từng giây đang xuyên qua mỗi cm2 da thịt chúng ta.

Sự tổng hợp nhiệt hạch trong tâm lõi mặt trời cũng như trong các thiên thể của vũ trụ bao la: 4 H → He + 2 e+ + 2 ve là thí dụ của tương tác yếu với phát xạ neutrino (Hình 2, 3). Vì khối lượng của 4 nguyên tử Hydrogen lớn hơn khối lượng của Helium nên thặng dư đó biến thành năng lượng theo E = mc2 để làm trung tâm mặt trời nóng rực tới chừng 20 triệu độ.

Neutrino xuất hiện khắp nơi trong hoàn vũ, không những từ tâm lõi các thiên thể mà cũng trong lòng sâu quả đất do phóng xạ tự nhiên của vài khoáng chất, đặc biệt Uranium. Phóng xạ tự nhiên này tạo nên plasma nóng khoảng 6000° trong tâm trái đất, nhiệt lượng đó xoay vần và chuyển dần ra các lớp đất bên ngoài để đôi khi, qua những hoạt động của núi lửa, phun lên khí cùng hoá chất cực nóng (Hình 4). Mới cách đây 18 ngàn năm trong giai đoạn cuối cùng của thời kỳ băng thạch, tuyết phủ dầy đặc bao trùm phần lớn quả cầu, ngay cả vùng xích đạo. Biết đâu tổ tiên chúng ta người tiền sử đã thoát khỏi nạn tuyệt chủng bởi cái lạnh kinh hoàng này, vì may thay cùng xảy ra trong thời kỳ băng lạnh đó thì núi lửa lại hoạt động cực kỳ mạnh với khí nóng lan toả nhanh chóng xuống mặt đất qua hiện tượng nhà kính, mà nhiệt lượng sản xuất trong lòng trái đất chính là bởi phóng xạ neutrino tự nhiên này.

Hình 4: vật chất trong lòng trái đất xoay vần, chuyển nhiệt từ trong ra ngoài, tạo nên hoạt động núi lửa

2- Một thoáng lịch sử ra đời của neutrino

Henri Becquerel và vợ chồng Pierre & Marie Curie là những người đầu tiên phát hiện một số hạt nhân nguyên tử tự nhiên phóng xạ mà chẳng do một tác động nào từ bên ngoài.

Một trong những hình thức bức xạ tự nhiên là sự phân rã từ hạt nhân A (thí dụ Carbon 14) biến đổi sang hạt nhân B (Nitrogen 14) mà điện tích lớn hơn điện tích của A một đơn vị e, kèm theo một electron, gọi là phân rã Bêta (Hình 5). Nếu chỉ có electron phát ra thôi (A → B + electron) thì luật bảo toàn năng lượng cho ta biết ngay là electron chỉ có duy nhất một năng lượng cố định, đó là hiệu số EA - EB (năng lượng của A trừ đi năng lượng của B), nghĩa là nếu không có ‘một cái gì đó’ kèm theo thì phổ năng lượng của electron phải là đường thẳng đứng màu đỏ (Hình 6) ở điểm tận cuối phổ năng lượng (endpoint spectrum).

Ngạc nhiên biết mấy, khi đo lường năng lượng của electron thì thấy nó có bất kỳ một trị số nào nằm giữa 0 và EA - EB, vậy phổ năng lượng của electron là một đường liên tục (Hình 6, đường cong màu đen). Chẳng lẽ định luật phổ quát nhất của vật lý, định luật bảo toàn năng lượng lại bị vi phạm trong trường hợp đặc biệt của phân rã Bêta sao? Ngay cả vị trưởng lão Niels Bohr của trường phái Copenhagen về cách diễn giải cơ học lượng tử, cha đẻ của lý thuyết nguyên tử, cũng đành miễn cưỡng chấp nhận sự vi phạm này.

Hình 5: Phân rã Bêta
Hình 6: Phổ năng lượng của electron

Nhưng Wolfgang Pauli không thể đồng ý với cách thỏa hiệp dễ dãi ấy của Bohr, bảo toàn năng lượng là định luật phổ quát mà tất cả mọi hiện tượng phải tuyệt đối tuân thủ. Để giải đáp nghịch lý này, năm 1931 Pauli giả định là phải có một cái gì đó phát ra đồng thời với electron để chia sẻ với nó tổng số năng lượng EA - EB theo như sơ đồ A → B + electron + cái gì đó (Hình 5), tựa như neutron → proton + electron + cái gì đó. Vì neutron trung hoà điện tích và cặp proton + electron triệt tiêu điện tích của nhau nên hạt giả định bởi Pauli phải trung hòa không mang điện tích, nó cũng phải mang spin ½ như electron (vì A và B đều có spin như nhau) và hầu như không có khối lượng (vì năng lượng cực đại của electron hầu như bằng EA - EB). Hơn nữa, so với phóng xạ rất nhanh của điện từ (như tia X) thì phân rã Bêta lại rất chậm chạp, nghĩa là cường độ lực phân rã hạt nhân rất nhỏ nên được gọi là lực yếu và neutrino hoàn toàn bị chi phối bởi lực này. Khác với electron mang điện tích, cái hạt giả định bởi Pauli đã nhẹ như tơ lại còn trung hoà - không bị chi phối bởi lực điện từ dễ quan sát hơn nhiều mà chỉ vận hành bởi một lực mà cường độ tương tác lại rất yếu - nên xác định bằng thực nghiệm sự hiện hữu của nó là một điều cực kỳ khó khăn, và Pauli đành tuyên bố: Tôi chót phạm vào một điều tai quái là đã giả định sự hiện hữu của một hạt nhưng lại không sao dò tìm ra nó được.

Wolfgang Pauli (giải Nobel 1945)

Từ nay mang ký hiệu ν, hạt ma rất khó nắm bắt này chính là neutrino (neutron nhỏ), tên đặt ra bởi Enrico Fermi, vị giáo hoàng của nền vật lý Ý, khi ông ghép trung hoà (neutre) với nhỏ xíu (ino), hai ngôn từ gắn bó với quê hương ông. Lần đầu tiên năm 1955 có duy nhất một hạt e được phát hiện bởi Cowan và Reines trong một thực nghiệm ở lò điện hạt nhân Savannah River. Ngày nay chùm neutrino được sản xuất dễ dàng từ các máy gia tốc hạt mà LHC (Large Hadron Collider) của Trung tâm Âu châu Nghiên cứu Hạt nhân (CERN) đóng vai trò hàng đầu thế giới.

Nhưng neutrino không chỉ sản xuất trên trái đất, còn có hàng muôn tỷ neutrino trong vũ trụ từ các thiên thể xa xăm, kể cả mặt trời, đến với chúng ta, vấn đề là làm sao dò được ra, rồi xác định cùng đo lường tính chất của chúng. Các nhà thiên văn-vật lý dùng nhiều máy móc rất khác nhau để tìm bắt, quan sát neutrino. Ở Kamiokande (Nhật) máy dò là một bình khổng lồ chứa 50 ngàn m3 nước tinh khiết như pha lê trong đó lung linh hàng ngàn thiết bị điện tử tinh vi đặt dưới hầm mỏ thiếc (Hình 7), nhóm IMB đặt máy trong hầm mỏ muối ở Ohio (Mỹ), ở Baksan (Nga) đài quan sát neutrino đặt sâu trong rặng núi Caucasus (Hình 8). Ngày 23 tháng 2 năm 1987 ba đài ‘thiên văn-neutrino’ này đã quan sát đo lường được cả thảy 24 hạt đến từ một siêu tân tinh (supernova) SN1987A trong thiên hà Magellan (sát cạnh giải Ngân hà) cách đây 163 ngàn năm đã nổ bùng mà độ chói sáng rực rỡ tương đương với mươi tỷ mặt trời và phát tán hằng hà sa số, tổng cộng 1058 hạt neutrino

Hình 7: Máy dò neutrino ở Kamiokande
Hình 8: Đài quan sát neutrino ở Baksan

3- Đặc tính của neutrino và viễn tượng

3a- Khối lượng: To be or not to be

Ngay từ thủa sơ khai mà Pauli hình dung ra hạt neutrino, khi đo lường năng lượng của electron phát ra bởi phân rã Bêta ở điểm tận cuối phổ năng lượng, người ta thấy ngay là neutrino ve có khối lượng quá ư nhỏ nhoi, khoảng một phần triệu khối lượng của electron. Còn khối lượng của vμ và vτ tuy không đo được chính sác như ve nhưng chắc chắn là chúng cũng rất nhỏ so với khối lượng của hai bạn đồng hành muon và tauon. Mô hình chuẩn bèn đưa ra tiên đề chấp nhận là cả ba loại neutrino ve, vμ, vτ đều có khối lượng bằng 0.

Trong vũ trụ chỉ có duy nhất hạt ánh sáng (photon) của lực điện từ là phải không có khối lượng[6], đó là một điều kiện tiên quyết của đối xứng chuẩn trong Ðiện động lực học lượng tử (QED). Trái lại, không có một lý thuyết nào bó buộc một fermion như neutrino phải có khối lượng bằng 0 cả, khác với photon là một boson chuẩn làm trung gian để nối kết và truyền tải lực điện từ cho các viên gạch cơ bản mang điện tích tương tác với nhau. Vậy câu hỏi neutrino có (hay không có) khối lượng, một tính chất rất quan trọng cần phải được soi sáng và định lượng. Khối lượng khác 0 của neutrino có thể đáp ứng phần nào câu hỏi về cấu trúc vận hành nói chung của vũ trụ, về vật chất tối là gì, về tại sao chỉ có vật chất mà vắng bóng phản vật chất trong toàn vũ.

Nếu có, thì khối lượng của neutrino là bao nhiêu, bằng cách nào mà có thể cân đo những khối lượng quá ư nhỏ bé đó được ? Cách thức cân đo này gọi là sự dao động chuyển hoán giữa ba loại ve, vμ, vτ neutrino[7] . Sự chuyển hoán giữa ba loại neutrino này chỉ có thể xảy ra nếu chúng có khối lượng khác nhau, tức là ít nhất hai trong ba loại neutrino phải có khối lượng khác 0 và cũng khác nhau nữa.

Trải qua hơn 30 năm, với biết bao nhiêu thực nghiệm kiên trì quan sát đo lường khởi đầu từ năm 1968 ở hầm mỏ muối Homestake (Mỹ) bởi Raymond Davis và kết thúc năm 2001 bởi Masatoshi Koshiba ở hầm mỏ thiếc Super-Kamiokande (Nhật), câu hỏi mới được trả lời là neutrino có khối lượng tuy rất nhỏ nhưng khác 0 và mang lại cho hai vị giải Nobel 2002.

3b- Neutrino và Phản Neutrino

Trong 12 viên gạch cơ bản có 6 loại quark và 3 hạt electron, muon, tauon đều mang điện tích âm hoặc dương. Những hạt có điện tích này phải khác phản hạt của chúng vì điện tích của phản hạt và của hạt ngược dấu nhau, ta gọi chung là loại hạt Dirac. Trái lại neutrino vì trung hòa điện tích nên có khả năng là neutrino cũng chính là phản neutrino, tuy hai mà một. Ta gọi nó là neutrino Majorana, khác với trường hợp neutrino Dirac theo đó neutrino và phản neutrino khác nhau, thí dụ neutrino Dirac có spin xoay trái thì phản neutrino Dirac xoay phải. Còn neutrino Majorana có cả hai thành phần, xoay trái và xoay cả phải. Bản chất neutrino thuộc vào loại nào?, Dirac hay Majorana, đang được thực nghiệm kiểm chứng qua sự phân rã rất hiếm gọi là Bêta kép:

  • neutron+ neutron →proton + proton + e- + e- + 2 phản neutrino (Dirac)
  • neutron+ neutron → proton + proton + e- + e- + 0 neutrino (Majorana)

Bản chất cũng như khối lượng của neutrino là hai điều tối cần thiết cho sự hiểu biết về hạt này và để lại những hậu quả quan trọng đo lường được. Trong tất cả các hạt cơ bản, duy nhất neutrino là có tiềm năng thuộc vào loại Majorana theo đó phản hạt với hạt lồng ghép trong nhau tuy hai mà một.

3c-Thiên văn-Vật lý Neutrino

Ánh sáng khắp nơi trong vũ trụ đến với chúng ta chỉ là từ vỏ ngoài mặt của các thiên thể vì photon sinh ra trong tâm lõi các vì sao không thoát ra ngoài nổi mà bị hấp thụ cùng biến đổi bởi môi trường nóng đặc ở trong thiên thể. Chính vì photon không thể cho ta thông tin về cái gì xảy ra trong tâm các vì sao mà neutrino đã được tận dụng để tìm hiểu các phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra trong đó, trước hết bằng cách đo lường thông lượng của neutrino sản xuất bởi mặt trời. Vì chỉ bị chi phối bởi lực hạt nhân yếu với cường độ tác động quá nhỏ nên neutrino xuyên suốt từ trong ra ngoài mặt trời để đến trực tiếp máy dò trên trái đất mà không hề thay đổi tính chất. Neutrino từ tâm lõi mặt trời đã cho ta thông tin đầu tiên là neutrino có khối lượng khác 0 qua quan sát đo lường bởi nhóm của Davis ở Homestake (coi đoạn 3a).

Nhưng neutrino của mặt trời chỉ có năng lượng tương đối nhỏ, trái lại từ ngoại vi của các thiên hà xa xăm, thậm chí từ biên ải tận cùng của vũ trụ, lân cận các lỗ đen, ở những nơi đó đã phát tán ra neutrino bởi những nguồn năng lượng lớn hơn hàng tỷ lần năng lượng mặt trời. Nhiều đài thiên văn-neutrino đồ sộ - nằm sâu dưới mặt băng tuyết ở Nam cực hay biển cả - được xây dựng để khảo sát đo lường những neutrino năng lượng cực kỳ cao đó, và một ngành mới gọi là thiên văn-neutrino đang ra đời và phát triển mạnh.

3d- Lớn hơn vận tốc ánh sáng?

Vì neutrino có khối lượng tuy khác 0 nhưng cực kỳ nhỏ nên trong thực tế vận tốc của neutrino chẳng khác gì vận tốc c của ánh sáng photon. Ngoài neutrino ra, không hạt nào khác mang tiềm năng có vận tốc bằng, thậm chí lớn hơn, c cả. Không nghi ngờ gì, neutrino là ứng viên không những độc nhất mà cũng sáng giá nhất có cái tiềm năng độc đáo này, đặc biệt đối với neutrino có năng lượng cực kỳ cao hay/và neutrino loại Majorana. Mới đây nhóm thực nghiệm OPERA ở Gran Sasso (Ý) đưa ra báo cáo neutrino có vận tốc lớn hơn c với tất cả sự thận trọng cần thiết[8]. Phải cần nhiều thực nghiệm rất khác nhau và cũng rất khó khăn để kiểm chứng kết quả quá ngạc nhiên, thậm chí đáng nghi ngờ này, vì nếu đúng thì cả một nền tảng, một hệ hình của vật lý cận đại - từ thuyết Lượng tử đến thuyết Tương đối - đều lung lay và một mô thức hậu Einstein đầy thú vị sẽ nẩy sinh. Tuy hãy còn quá sớm để phỏng đoán điều gì nhưng đó là một thách thức tuyệt vời cho ngành thiên văn-vật lý neutrino gửi đến thế hệ trẻ.

Nguồn

Chú giải

  1. C. Cowan and F. Reines, Nature 178, 446 (1956)
  2. Khám phá quan trọng khởi đầu từ năm 1998 đang trên đà phát triển mạnh, nó bất ngờ vì trái ngược với trực giác và định kiến, đó là thay vì giảm tốc do áp lực co hút, nén vào của trọng trường vật chất, vũ trụ lại tăng tốc và dãn nở mạnh hơn lên! Thực thế vụ nổ Big Bang kinh hoàng ban đầu với một lực đẩy ra cực kỳ mạnh đã tạo ra không-thời gian và làm nó dãn nở, nhưng sau đó vũ trụ nguội dần, đám mây các hạt cơ bản ban đầu đặc lại và hút lẫn nhau tạo nên những chùm thiên hà. Chúng phải gây ra một trọng trường để nén ép không gian co lại và vũ trụ vì thế có nhiều khả năng giảm dần tốc độ dãn nở. Để trả lời câu hỏi là không gian giảm gia tốc dãn nở ra sao, hai nhóm các nhà thiên văn - dẫn đầu một bên bởi Saul Perlmutter ở Berkeley (Mỹ) và bên kia bởi Brian Schmidt ở Mount Stromlo (Úc) cùng Adam G. Riess ở Baltimore (Mỹ) - tìm cách đo lường sự giảm tốc này bằng cách đo lường vận tốc tách rời nhau (qua sự xê dịch về phía đỏ của quang phổ) của các siêu tân tinh (supernovae) loại Ia ở nhiều khoảng cách khác nhau (qua độ sáng vô cùng rực rỡ của chúng). Sau gần mười năm cật lực tìm tòi khoảng 50 siêu tân tinh loại Ia để đo lường khoảng cách cùng vận tốc tách rời nhau của chúng, hai nhóm Mỹ và Úc đưa ra kết luận giống nhau và rất bất ngờ: vũ trụ tuy có giảm tốc tăng trưởng nhưng chỉ trong có 7 tỷ năm đầu thôi, sau đó nó lại tăng tốc dãn nở cho đến nay. Biện minh và bổ sung thêm cho khám phá sửng sốt này đến từ những đo lường mới đây rất chính xác bởi vệ tinh WMAP về sự thăng giáng nhiệt độ của bức xạ nền, chúng cho ta một biên vũ trụ Euclid không lồi lõm mà phẳng và đang dãn nở ngày càng nhanh. Điều này đòi hỏi một lực đẩy vạn vật ra xa, chống lại lực hút vào của trọng trường vật chất, nghĩa là cần phải có một áp lực mới để sinh ra lực đẩy đó. Thành phần năng lượng diễn tả lực đẩy mới này mang tên năng lượng tối. Để có được sự tăng tốc dãn nở ở thời điểm 7 tỷ năm sau Big Bang, tính toán cho biết năng lượng tối phải chiếm đến khoảng 74% tổng năng - khối lượng của toàn vũ. Trong 26% còn lại, chỉ chừng 4% là vật chất bình thường quen thuộc mà phản ứng nhiệt hạch của chúng làm chói sáng bầu trời ban đêm. Phần 22% sau rốt là một loại vật chất tối hoàn toàn khác lạ. Vật chất tối kỳ lạ này không bức xạ, nghĩa là không bị chi phối bởi ba tương tác cơ bản quen thuộc (điện từ, mạnh và yếu của hạt nhân nguyên tử), khối lượng của nó chỉ có vai trò duy nhất là tạo ra trọng lực hút vào để giữ cho các thiên hà góp thành chùm chứ không tung bay khắp phía. Giải Nobel vật lý 2011 vinh tặng Saul Perlmutter, Brian Schmidt và Adam G. Riess về khám phá này.
  3. Đơn vị đo lường của spin là ħ = h/2π, h là hằng số Planck. Qua phương trình Dirac, spin ћ/2 của fermion là một đặc trưng độc đáo của lượng tử. Spin miêu tả tính chất quay vòng nội tại của các hạt vi mô cơ bản (như con quay xoay chung quanh trục của nó), spin ћ/2 = h/4π nghĩa là hạt phải quay hai vòng (4π) mới trở lại vị trí ban đầu, điều không tưởng trong cơ học cổ điển.
  4. Coi bài "Địa trục, Thiên hà " của Phạm Xuân Yêm trong tập1 của Kỷ Yếu 2009, 400 năm Thiên văn học & Gallieo Gallilei, nxb Tri Thức, Hanoi (2009). Chi tiết có thể tham khảo trong cuốn giáo trình Elementary Particles and their Interactions, Concepts and Phenomena của Hồ Kim Quang và Phạm Xuân Yêm, nxb Springer, Berlin, New York (1998) và bản dịch sang tiếng Trung Quốc bởi nxb Beijing World Publishing Corp. (2009), với các chương: 7 về quark và SU(3), 8 và 9 về SBS, Điện-Yếu, QCD, 12 về neutrino, 17 về hạt Higgs.
  5. Ba quark nhẹ u, d, s với nhóm SU (3)flavor rồi lại 3 sắc tích với nhóm SU (3)color , sau hết lại điện tích phân số (⅔)e cho 3 quark u, c, t và - (⅓)e cho 3 quark d, s, b. Tên quark cũng như điện tích phân số + (⅔)e, – (⅓)e của chúng là do Murray Gell-Mann khám phá ra. Vì túng danh từ thông dụng, ông mượn câu bí ẩn "Ba quark cho Muster Mark" của nhà văn James Joyce trong cuốn truyện Finnegans Wake để đặt tên quark cho ba thành phần u, d, s của vật chất mà Gell-Mann tiên đoán với dụng cụ toán học là nhóm đối xứng SU(3) giữa ba thành phần cơ bản đó. Chính câu "quark" kèm theo con số 3 gợi cho ông tên lạ lùng này.
  6. Gluon - không trực tiếp quan sát đo lường được, do tính chất ‘’ nô lệ hồng ngoại ‘’ của lực hạt nhân mạnh QCD - được coi như cũng không có khối lượng.
  7. Dao động giữa các loại neutrino ve, vμ, vτ nghĩa là một loại có thể chuyển hoán biến thành loại khác, thí dụ ve chuyển thành vμ hay vτ . Điều này chỉ xảy ra nếu chúng có khối lượng khác nhau.Ta có thể tính toán được sự dao động đó, dựa trên ý tưởng của B. Pontecorvo và sự hỗn hợp (mixing) giữa các loại neutrino do Z. Maki, M. Nakawara và S. Sakata đề xướng vào những năm đầu 1950. Nhóm của Davis quan sát đo lường được ve chuyển hoán thành vμ, còn nhóm của Koshiba là vμ chuyển hoán thành vτ. Chi tiết về sự dao động neutrino được diễn giải ở chương 12 trong sách Elementary Particles and their Interactions, Concepts and Phenomena giới thiệu ở phụ chú 3.
  8. Nhóm thực nghiệm Opera ở CERN và Gran Sasso http://arxiv.org/abs/1109.4897

(5) Harvard Museum of Natural Science.

Chia sẻ lên facebook Chia sẻ lên twitter Chia sẻ lên google-plus In trang này