Lần đầu tiên phát hiện neutrino "ma quái" bên trong máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới

Lần đầu tiên, các nhà vật lý đã tạo ra và phát hiện ra các "hạt ma" năng lượng cao bên trong máy nghiền nguyên tử lớn nhất thế giới. Những phát hiện này có thể giúp mở khóa những bí mật về cách các ngôi sao trở thành siêu tân tinh.

Các hạt siêu nhỏ, được gọi là neutrino, được phát hiện bởi máy dò neutrino FASER tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) - máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới, đặt tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) gần Geneva, Thụy Sĩ.

Neutrino có biệt danh quang phổ vì điện tích không tồn tại và khối lượng gần như bằng 0 của chúng có nghĩa là chúng hầu như không tương tác với các loại vật chất khác.

Hình minh họa về ba hạt neutrino, những hạt ma quái hầu như không tương tác với các dạng vật chất khác.

Đúng như biệt danh ma quái của nó, neutrino bay xuyên qua vật chất thông thường với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Các nhà vật lý trình bày kết quả của họ tại hội nghị Rencontres de Moriond Electroweak Interactives and Unified Theorys lần thứ 57 ở La Thuile, Ý ngày 19/3 vừa qua.

"Chúng tôi đã phát hiện ra neutrino từ một nguồn hoàn toàn mới - máy va chạm hạt - nơi có hai chùm hạt đập vào nhau ở năng lượng cực cao," Jonathan Feng, nhà vật lý tại Đại học California Irvine và là đồng phát ngôn viên của dự án hợp tác FASER, cho biết trong một tuyên bố.

Mỗi giây, khoảng 100 tỷ neutrino đi qua mỗi centimet vuông cơ thể bạn. Các hạt cực nhỏ có ở khắp mọi nơi. Chúng được tạo ra trong ngọn lửa hạt nhân của các ngôi sao, trong các vụ nổ siêu tân tinh khổng lồ, bởi các tia vũ trụ và sự phân rã phóng xạ, cũng như trong các máy gia tốc hạt và lò phản ứng hạt nhân trên Trái đất.

Trên thực tế, neutrino, lần đầu tiên được phát hiện thoát ra từ một lò phản ứng hạt nhân vào năm 1956, chỉ đứng sau photon với tư cách là hạt hạ nguyên tử dồi dào nhất trong vũ trụ.

Thế nhưng, bất chấp sự phổ biến của chúng, tương tác tối thiểu của các hạt không tích điện và gần như không có khối lượng với vật chất khác khiến chúng rất khó bị phát hiện.

Mặc dù vậy, nhiều thí nghiệm phát hiện neutrino nổi tiếng - chẳng hạn như máy dò Super-Kamiokande của Nhật Bản, MiniBooNE của Fermilab và máy dò IceCube ở Nam Cực - đã có thể phát hiện ra neutrino do Mặt trời tạo ra .

Neutrino từ các vụ nổ siêu tân tinh

Tuy nhiên, các hạt neutrino đến với chúng ta từ Mặt trời chỉ là một phần nhỏ của các hạt ma ngoài kia. Ở đầu kia của quang phổ năng lượng là các neutrino năng lượng cao được tạo ra trong các vụ nổ siêu tân tinh khổng lồ và trong các trận mưa hạt khi các hạt trong không gian sâu lao vào bầu khí quyển của Trái đất. Những bóng ma năng lượng cao này vẫn là một bí ẩn đối với các nhà khoa học cho đến nay.

Jamie Boyd, nhà vật lý hạt CERN và đồng phát ngôn viên của FASER, cho biết: “Những hạt neutrino năng lượng rất cao này trong LHC rất quan trọng để hiểu được những quan sát thực sự thú vị trong vật lý thiên văn hạt. Những phát hiện mới có thể giúp giải thích cách các ngôi sao cháy và nổ, cũng như cách các tương tác neutrino năng lượng cao châm ngòi cho việc sản xuất các hạt khác trong không gian”.

Thiết bị để “bắt” neutrino

Để bắt được bóng ma hạt nguyên tử, các nhà vật lý đã chế tạo một thiết bị phát hiện hạt: Các tấm kim loại dày đặc bằng chì và vonfram kẹp nhiều lớp chất lỏng phát hiện ánh sáng gọi là nhũ tương. Khi các chùm proton năng lượng cao đập vào nhau bên trong LHC, chúng tạo ra một trận mưa các hạt sản phẩm phụ, một phần nhỏ trong số đó là neutrino, đi vào bên trong LHC.

Bằng cách "phát triển" nhũ tương giống như màng này và phân tích các vệt hạt, các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng, một số vết được tạo ra bởi các tia hạt do neutrino tạo ra đi qua các tấm.

Sáu hạt neutrino được phát hiện bởi thí nghiệm này lần đầu tiên được xác định vào năm 2021. Thế nhưng, các nhà vật lý đã mất hai năm để thu thập đủ dữ liệu để xác nhận chúng là có thật. Bây giờ, họ hy vọng sẽ tìm thấy nhiều hơn nữa và nghĩ rằng có thể sử dụng chúng để thăm dò các môi trường trong vũ trụ nơi các hạt ma năng lượng cao được tạo ra.