Giải thích đơn giản Nobel Vật lý 2026 — Cho tất cả mọi người
Nobel Vật lý 2026 được trao cho Francis Halzen, vì những đóng góp quyết định cho đài quan sát IceCube và việc phát hiện neutrino năng lượng cao có nguồn gốc từ các thiên thể. Để hiểu ý nghĩa của công trình này, ta cần bắt đầu từ câu hỏi: chúng ta muốn biết điều gì về vũ trụ, và thông tin ấy có thể đến với chúng ta bằng cách nào?
Đây là bài viết dành cho TẤT CẢ MỌI NGƯỜI. Ngôn ngữ được viết và giải thích dễ hiểu nhất có thể để ai cũng nắm bắt được một trong những công trình vĩ đại của trí tuệ loài người này. Để đảm bảo việc hiểu, mình sẽ phải viết khá dài, mọi người chịu khó đọc nhé.
Kể cả bạn không có quá nhiều nền tảng vật lý hiện đại, bạn vẫn sẽ hiểu được bài này khi đọc. Để tiện, mình đã thêm caption vào từng ảnh cho bạn nhìn trực quan hơn.
Hãy dành thời gian để đọc, để trầm trồ về trí tuệ của nhân loại chúng ta. Để biết rằng chúng ta còn quá nhỏ bé so với vũ trụ ngoài kia. Và để biết rằng chúng ta đang phải chật vật thế nào để thấu hiểu nó.
I. Bối cảnh: Chúng ta muốn biết được điều gì từ vũ trụ?
Mỗi khi ngước nhìn lên bầu trời, ta sẽ thấy một vì tinh tú mang tên J… à nhầm, các ngôi sao. Tại sao chúng ta lại nhìn được các ngôi sao đó? Tại vì mắt của chúng ta thu được các ánh sáng nhìn thấy phát ra từ những thiên thể “cháy rực” trên bầu trời.
Các kính thiên văn mở rộng khả năng ấy: ngoài ánh sáng nhìn thấy, chúng còn thu được sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, tia X, tia gamma…
Dựa trên những tín hiệu này, các nhà khoa học có thể tìm hiểu được về các thiên thể: chúng ở đâu, có thành phần gì, và đang diễn ra những quá trình nào,...
Khoa học hiện đại phát triển, giờ đây chúng ta biết vũ trụ còn gửi đến Trái Đất một loại tín hiệu khác: các hạt năng lượng cao. Những hạt này được gọi là tia vũ trụ. Dù gọi là “tia”, chúng chủ yếu bao gồm những hạt mang điện, đặc biệt là proton và các hạt nhân nguyên tử.
Điều thú vị là, một số trong chúng có năng lượng cực kỳ lớn. Đó là bằng chứng cho thấy trong vũ trụ tồn tại những môi trường có khả năng gia tốc hạt rất mạnh.
Từ đây, chúng ta bắt đầu đặt ra các câu hỏi cần phải giải đáp:
- Những “máy gia tốc vũ trụ” đó nằm ở đâu?
- Chúng sử dụng cơ chế nào để đẩy hạt lên mức năng lượng lớn như vậy?
- Trong các môi trường đó, những hạt nào đang va chạm với nhau, và tạo ra những sản phẩm gì?
Một số “ứng cử viên” thích hợp cho vai trò này có thể là: tàn dư của các vụ nổ sao, hoặc môi trường quanh những hố đen siêu khổng lồ đang hoạt động,...
Các quan sát trước đó đã cung cấp bằng chứng cho thấy một số môi trường này có khả năng gia tốc hạt. Tuy nhiên, để xác định nguồn gốc của những hạt năng lượng cao đến Trái Đất và hiểu rõ cơ chế tạo ra chúng, chúng ta vẫn cần thêm bằng chứng.
Nếu dùng các hạt như proton hoặc hạt nhân để quan sát, chúng ta sẽ đối diện ngay với vấn đề lớn đầu tiên: hạt bay đến từ hướng nào chưa chắc đã được sinh ra từ hướng đó.
Ví dụ, một proton mang điện sẽ bị từ trường trong không gian làm lệch quỹ đạo. Sau một hành trình dài, thông tin về hướng đến Trái Đất của nó sẽ không còn đủ tin cậy để xác định nguồn phát ban đầu. Hạt nhân cũng vậy, cũng mang điện, nên đường đi của chúng cũng bị từ trường trong không gian làm lệch.
Giống như vào một ngày đẹp trời, bạn bước ra khỏi cửa nhà, thấy ngay một chiếc lá khô rơi đến trước mặt. Chỉ nhìn vào hướng chiếc lá này bay đến, khó để mà có thể biết được nó rơi từ cây nào, vì có thể gió đã thổi nó đi từ một nơi xa xôi nào đó.
Vì vậy, các nhà khoa học cần một loại “sứ giả” khác. “Sứ giả này” phải mang thông tin về các quá trình năng lượng cao, đồng thời ít bị thay đổi trên đường bay đến Trái Đất.
Và neutrino đáp ứng được những yêu cầu quan trọng này.
II. Hạt cơ bản và nguồn gốc tìm ra neutrino
1. Hạt cơ bản là gì?
Ở Trung học Phổ thông, chúng ta đã học được cấu tạo của vật chất rồi. Vật chất được cấu tạo bởi các phân tử rất nhỏ. Một phân tử gồm các nguyên tử. Mỗi nguyên tử lại được cấu tạo bởi electron và hạt nhân. Hạt nhân thì bao gồm proton và neutron.
Vật lý hiện đại cho chúng ta biết, proton và neutron còn được cấu tạo bởi những hạt nhỏ hơn thế nữa, chúng được gọi là các hạt quark.
Electron và quark hiện nay chưa được xác định là có được cấu tạo bởi những thành phần nhỏ hơn không. Nhưng chúng được xếp vào nhóm các “hạt cơ bản”.
Trong Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, các hạt vật chất được chia thành hai nhóm chính:
- Nhóm Quark: gồm quark up, quark down,...
- Nhóm Lepton: gồm electron, muon, tau và các neutrino
Cụ thể tính chất của các nhóm này như thế nào, và được phân chia trên cơ sở nào, mình sẽ không đề cập ở đây, vì sẽ làm cho bài trở nên quá dài.
Neutrino thuộc nhóm lepton, cùng nhóm với electron. Hiện tại, có 3 loại neutrino đã được biết, thường được gọi là ba “hương”:
- Neutrino electron
- Neutrino muon
- Neutrino tau
Tên gọi này gắn với loại lepton mang điện tương ứng được tạo ra trong những tương tác thích hợp khác nhau. Ví dụ, một neutrino muon có thể tạo ra hạt muon khi tương tác với vật chất.
2. Tại sao người ta “biết” neutrino tồn tại?
Đầu tiên, bạn cần hiểu rằng, một số hạt nhân là không bền, chúng có thể tự biến đổi sang trạng thái khác và phát ra các hạt. Đây là hiện tượng phân rã phóng xạ.
Trong một loại phân rã phóng xạ mà ngày nay được đặt tên là beta trừ, các nhà khoa học quan sát hạt nhân sau khi biến đổi, và electron bay ra.
Khi electron phát ra và bay đi, chúng mang theo năng lượng chuyển động, gọi là động năng.
Khi quan sát rất nhiều lần phân rã cùng một loại, họ thấy:
- Có electron mang ít động năng
- Có electron lại mang nhiều động năng
- Và có rất nhiều mức năng lượng nằm giữa 2 trường hợp đó.
Nói cách khác, electron không luôn mang cùng một lượng năng lượng sau mỗi lần phân rã.
Điều này làm các nhà khoa học ngạc nhiên. Nhưng tại sao lại ngạc nhiên?
Muốn hiểu được, ta cần phải rõ 2 quy tắc vật lý:
Quy tắc thứ nhất là bảo toàn năng lượng: khi tính đủ mọi thành phần của một quá trình, tổng năng lượng trước và sau phải bằng nhau. Năng lượng có thể chuyển dạng hoặc chuyển từ vật này sang vật khác.
Quy tắc thứ hai là bảo toàn động lượng. Động lượng là đại lượng mô tả chuyển động, có cả độ lớn và hướng. Một ví dụ quen thuộc là súng giật lùi khi bắn: viên đạn bay về trước, còn súng chuyển động về sau.
Trong phân rã, khi electron bay ra, hạt nhân còn lại cũng có thể giật lùi. Vì vậy, các nhà khoa học phải tính cả chuyển động của hạt nhân, chứ không mặc định toàn bộ năng lượng đều thuộc về electron.
Nếu quá trình chỉ tạo ra hai sản phẩm, gồm chỉ hạt nhân mới và electron, thì hai quy tắc này sẽ ràng buộc rất chặt chẽ cách chúng phân chia năng lượng.
Với cùng trạng thái ban đầu (hạt nhân đứng yên), cùng trạng thái hạt nhân sau phân rã, phép tính dự đoán electron phải có một giá trị năng lượng xác định. Nó không thể tùy ý nhận lúc ít, lúc nhiều. Thế nhưng kết quả đo lại cho thấy electron có cả một dải năng lượng.
Đây chính là vấn đề: dữ liệu không phù hợp với cách giải thích rằng chỉ có hai sản phẩm.
Giải thích dễ hiểu thế này: Bạn biết một khoản 100.000 đồng đã được chuyển khỏi tài khoản. Nhưng trong những tài khoản nhận tiền mà bạn kiểm tra, tổng cộng chỉ có 60.000 đồng.
Lúc này có ít nhất hai khả năng:
- Thông tin hoặc cách tính của bạn có vấn đề
- Còn một nơi khác nhận 40.000 đồng mà bạn chưa biết.
Tương tự, trong phân rã beta, phần năng lượng chưa được ghi nhận có thể đang được mang đi bởi một thành phần chưa quan sát được.
Năm 1930, Wolfgang Pauli đề xuất rằng mỗi lần phân rã còn phát ra một hạt khác, cùng với electron. Hạt ấy không mang điện và chưa bị máy đo ghi nhận. Nó có thể mang theo phần năng lượng và động lượng còn thiếu. Về sau, hạt này được gọi là neutrino.
Tuy nhiên, đây mới là một giả thuyết để giải thích dữ liệu. Phải đến năm 1956, Clyde Cowan, Frederick Reines và cộng sự mới phát hiện phản neutrino từ lò phản ứng hạt nhân, cung cấp bằng chứng thực nghiệm xác nhận sự tồn tại của chúng.
III. Các đặc điểm quan trọng của neutrino
Muốn biết được tại sao neutrino quan trọng, ta cần hiểu các đặc điểm bản chất của nó đã.
1. Neutrino không mang điện tích
Electron mang điện âm, proton mang điện dương, còn neutrino không mang điện tích.
2. Neutrino rất ít tương tác với vật chất
Thông thường, ánh sáng có thể bị vật chất hấp thụ hoặc tán xạ. Chẳng hạn, một bức tường có thể chặn ánh sáng khiến bạn không nhìn được phía bên kia.
Neutrino thì có thể đi xuyên qua những lượng vật chất rất lớn mà không bị giữ lại. Nhiều neutrino đi xuyên qua cả Trái Đất rồi tiếp tục hành trình của chúng.
Lý do không đơn giản là chúng “nhỏ đến mức lọt qua khe hở”. Lý do là:
- Neutrino KHÔNG tham gia tương tác điện từ và tương tác mạnh (lực liên kết các quark lại để tạo thành neutron và proton).
- Chúng tương tác với vật chất qua lực tương tác yếu. (Đây là một loại lực khá phức tạp để hiểu. Dù gọi là “lực”, để hình dung vai trò này, bạn nên nghĩ đến một cơ chế tương tác có thể làm thay đổi loại hạt, thay vì chỉ hình dung lực kéo hoặc đẩy như trong cơ học.)
- Và cũng chịu tác dụng bởi trọng lực.
Trong những điều kiện thông thường, xác suất chúng tương tác với vật chất rất thấp.
Nhưng rất ít tương tác không có nghĩa là hoàn toàn không tương tác. Đôi khi, một neutrino vẫn tương tác với hạt trong vật chất và tạo ra dấu vết mà thiết bị có thể phát hiện. Đây chính là cơ sở để chúng ta tìm thấy chúng.
3. Có khối lượng cực nhỏ, thường di chuyển gần bằng tốc độ ánh sáng
Neutrino nhẹ đến mức trước đây người ta từng cho rằng chúng không có khối lượng. Nhưng các thí nghiệm đã cho thấy quan niệm đó cần phải được sửa lại.
Với năng lượng thường gặp trong các quan sát thiên văn, neutrino di chuyển gần bằng tốc độ ánh sáng trong chân không. Nhưng chỉ gần bằng thôi, nó vẫn có khối lượng. Vật có khối lượng không thể chạm đến tốc độ ánh sáng.
4. Có ba loại và có thể chuyển đổi giữa các loại
Ba loại neutrino đã biết được gọi là neutrino electron, neutrino muon và neutrino tau.
Điểm kỳ lạ là: một neutrino được tạo ra dưới loại này có thể được phát hiện dưới loại khác sau khi di chuyển. Ví dụ, neutrino sinh ra trong Mặt Trời thuộc loại electron, nhưng khi đến Trái Đất, một phần được phát hiện dưới loại muon hoặc tau.
Hiện tượng này gọi là dao động neutrino. Nó cũng là bằng chứng quan trọng cho thấy neutrino có khối lượng, buộc các nhà khoa học phải bổ sung cho mô hình vật lý trước đó.
IV. Lợi thế của neutrino trong tìm hiểu không gian
Vì các đặc điểm quan trọng trên, neutrino có 3 lợi thế:
1. Nó giúp truy tìm hướng của nguồn phát chính xác hơn
Vì không mang điện, neutrino không bị từ trường làm uốn quỹ đạo như proton. Nếu đo được hướng bay đến của neutrino, ta có thể khoanh vùng trên bầu trời nơi nó có khả năng xuất phát.
Điều này không có nghĩa mọi lần phát hiện đều chỉ ra chính xác một thiên thể. Máy dò có sai số, và vùng hướng đến có thể chứa nhiều đối tượng. Nhưng neutrino cung cấp đầu mối trực tiếp hơn nhiều so với các hạt mang điện đã bị từ trường làm lệch đường.
2. Nó có thể mang thông tin từ những môi trường khó quan sát được bằng ánh sáng
Ánh sáng phải tương tác với vật chất trên đường truyền. Trong những môi trường dày đặc, photon có thể bị hấp thụ hoặc tán xạ trước khi thoát ra.
Neutrino ít tương tác với vật chất hơn, nên có thể thoát khỏi những vùng mà một số loại ánh sáng khó thoát ra. Do đó, nó giúp chúng ta tìm hiểu các quá trình bên trong những môi trường cực đoan, thay vì chỉ quan sát phần bức xạ thoát ra được.
Tuy nhiên, “ít tương tác” không có nghĩa “không bao giờ tương tác”. Ở năng lượng rất cao, ngay cả Trái Đất cũng có thể hấp thụ một phần đáng kể dòng neutrino; việc phân tích phải tính đến điều đó.
3. Nó cho biết loại quá trình vật lý đang diễn ra
Hai lợi thế trên giúp chúng ta tìm được hướng của nguồn phát và nhận tín hiệu từ những vùng khó quan sát bằng ánh sáng. Nhưng còn một câu hỏi nữa: ở đó đang xảy ra điều gì để tạo ra những tín hiệu này?
Chẳng hạn, khi quan sát một nguồn phát ra tia gamma (γ), một dạng ánh sáng có năng lượng rất cao, các nhà khoa học có thể đưa ra nhiều cách giải thích. Tia gamma có thể được tạo ra khi electron năng lượng cao truyền năng lượng cho photon. Nó cũng có thể xuất hiện sau những va chạm của proton năng lượng cao. Chỉ quan sát tia gamma, ta có thể chưa phân biệt được hai khả năng này.
Neutrino năng lượng cao giúp giải quyết vấn đề đó. Khi proton năng lượng cao va chạm với vật chất hoặc tương tác với photon, chúng có thể tạo ra các hạt gọi là pion. Một số pion sau đó phân rã, sinh ra neutrino. Vì vậy, neutrino là một dấu vết giúp nhận ra những quá trình có sự tham gia của proton hoặc hạt nhân năng lượng cao.
Nếu xác định được những neutrino này đến từ một nguồn thiên văn, ta có thêm bằng chứng rằng nguồn đó có khả năng đẩy proton hoặc hạt nhân lên năng lượng rất cao, rồi tạo điều kiện để chúng tương tác. Đây cũng là manh mối để tìm nguồn gốc của tia vũ trụ đã đề cập ở trên.
Tất nhiên, một neutrino đơn lẻ chưa đủ để giải thích toàn bộ hoạt động của nguồn phát. Các nhà khoa học cần đối chiếu năng lượng, số lượng và thời điểm xuất hiện của neutrino với ánh sáng thu được từ nguồn đó để kiểm tra cách giải thích nào phù hợp.
V. Rào cản nào đang ngăn chúng ta?
Lợi thế của neutrino đồng thời tạo ra khó khăn lớn nhất: nó mang thông tin đến được với chúng ta vì ít tương tác với vật chất, nhưng cũng chính vì nó ít tương tác với vật chất nên chúng ta khó nắm bắt được chúng.
1. Rào cản 1: Neutrino đi qua máy dò mà không để lại dấu vết
Một máy dò chỉ phát hiện được hạt khi hạt ấy tạo ra một tín hiệu đo được: ánh sáng, điện tích hoặc năng lượng truyền cho vật chất.
Nếu neutrino đi xuyên qua toàn bộ máy dò mà không tương tác, ta sẽ không thể ghi nhận được nó.
2. Rào cản 2: Neutrino năng lượng cao từ thiên thể rất hiếm
“Neutrino có rất nhiều” không đồng nghĩa “loại neutrino cần nghiên cứu có rất nhiều”.
Neutrino có một dải năng lượng rất rộng, phụ thuộc vào quá trình tạo ra nó. Neutrino từ phản ứng hạt nhân trong Mặt Trời khác xa về năng lượng với neutrino được sinh ra trong các va chạm hạt cực mạnh.
Ở vùng năng lượng cao, neutrino có thể tương tác dễ hơn và tạo dấu vết rõ hơn. Nhưng số neutrino thiên văn đến với chúng ta lại rất thấp.
Vì thế, ta cần máy dò đủ lớn để thu được một số lượng sự kiện có ý nghĩa, chứ không chỉ chờ một lần tương tác may mắn.
3. Rào cản 3: Tín hiệu cần tìm bị lẫn trong tín hiệu nền
Tia vũ trụ va vào khí quyển Trái Đất và tạo ra các chuỗi hạt thứ cấp. Trong số đó có:
- Muon, có thể đi xuống và để lại vệt trong máy dò.
- Neutrino khí quyển, cũng có thể tương tác và tạo ra tín hiệu.
Như vậy, một tín hiệu giống neutrino chưa trả lời được hai câu hỏi:
- Đây có thực sự là tương tác neutrino, hay là hạt khác đi vào máy dò?
- Nếu là neutrino, nó được tạo ra trong khí quyển hay tại một thiên thể xa?
Nói chung là phức tạp. Thế trước khi giải Nobel này xuất hiện, nhân loại đã có những cách thức nào để vượt qua các rào cản trên?
VI. Trước đó, nhân loại đã có những giải pháp gì?
Trước giải Nobel này, các phương pháp trước cũng đã có nhiều thành công. Giới hạn của chúng nằm ở khả năng đáp ứng mục tiêu mới: quan sát neutrino thiên văn năng lượng cao với số lượng đủ lớn.
1. Dùng nguồn mạnh ở gần: thí nghiệm với lò phản ứng hạt nhân
Năm 1956, Clyde Cowan và Frederick Reines cùng cộng sự phát hiện phản neutrino electron từ một lò phản ứng hạt nhân.
Nguyên tắc là tìm các sản phẩm của phản ứng:
(phản hạt neutrino electron) + (proton) → (neutron) + (positron)
Trong đó positron (e+) là phản hạt của electron. Các sản phẩm này tạo ra những tín hiệu mà hệ thống có thể ghi nhận. Thí nghiệm chứng minh neutrino tồn tại bằng cách quan sát dấu vết của tương tác.
Lò phản ứng cung cấp nguồn mạnh, ở gần và có thể nghiên cứu trong điều kiện tương đối kiểm soát được.
Nhưng phương pháp này phục vụ việc phát hiện và nghiên cứu neutrino từ nguồn nhân tạo, chưa giải quyết việc thu nhận dòng neutrino năng lượng cao rất loãng từ các thiên thể xa.
2. Dùng một bể hóa chất lớn: thí nghiệm Homestake
Raymond Davis Jr. và cộng sự sử dụng một bể chứa hợp chất giàu chlorine, đặt sâu dưới lòng đất.
Một neutrino electron có thể tương tác với chlorine-37 và tạo ra argon-37: (neutrino electron) + CL (37) —> Argon (37) + (electron)
Nhóm nghiên cứu tách và đếm những nguyên tử argon-37 được tạo ra, qua đó đo neutrino từ Mặt Trời. Đây là một thành tựu dẫn đến Nobel Vật lý 2002 cho Davis.
Nhưng đây là phương pháp thu gom sản phẩm sau một khoảng thời gian. Nó không cung cấp một “bức ảnh” chi tiết của từng tương tác để xác định hướng bay và thời điểm riêng lẻ. Nó rất hữu ích cho bài toán đo dòng neutrino Mặt Trời, còn việc lập bản đồ các nguồn neutrino năng lượng cao cần cách đo khác.
3. Dùng bể nước nhân tạo và ánh sáng: Kamiokande, Super-Kamiokande
Một hướng khác là dùng nước trong và cảm biến ánh sáng để quan sát các hạt mang điện được tạo ra khi neutrino tương tác.
Kamiokande ở Nhật Bản đã phát hiện neutrino từ vụ nổ sao SN 1987A. Điều này cho thấy neutrino thực sự có thể mang thông tin đến từ một sự kiện thiên văn bên ngoài Hệ Mặt Trời.
Super-Kamiokande, hệ thống lớn hơn, sử dụng bể chứa 50.000 tấn nước. Nó có những đóng góp lớn cho nghiên cứu neutrino Mặt Trời, neutrino khí quyển và hiện tượng dao động neutrino.
Tuy nhiên, muốn mở rộng bằng cách xây một bể nhân tạo khổng lồ sẽ gặp khó khăn rất lớn về khả năng xây dựng công trình và chi phí.
4. Dùng lượng nước có sẵn trong tự nhiên
Từ năm 1960, Moisey Markov đã đề xuất đặt máy dò sâu trong hồ hoặc biển, rồi dùng ánh sáng Cherenkov để xác định hướng chuyển động của các hạt mang điện.
Ý tưởng rất hợp lý: thay vì xây bể nước, ta đặt các cảm biến trong một thể tích nước lớn đã có sẵn.
Dự án DUMAND theo đuổi hướng này ở vùng biển sâu gần Hawaii. Dự án có những thành công thử nghiệm, nhưng không hoàn thành được hệ thống như dự kiến. Nó gặp khó khăn về kỹ thuật, tiến độ và kinh phí, và rồi mất tiu lun nguồn tài trợ.
Tuy vậy, những kinh nghiệm thu được vẫn đóng góp lớn cho các dự án sau.
VII. Giải pháp của Halzen và cộng sự
Từ các bản chất phía trên, và kế thừa các kinh nghiệm từ những giải pháp trước, Halzen và các cộng sự đã giải quyết được những vấn đề này.
Dưới đây là giải pháp của họ.
1. Sử dụng băng Nam Cực làm một phần của máy dò
Halzen đã trình bày tầm nhìn của mình về việc tìm cách phát hiện neutrino ở Nam Cực vào năm 1988. Đóng góp của ông bao gồm việc phát triển và dẫn dắt nỗ lực biến ý tưởng này thành một đài quan sát thực sự.
Tại sao lại ở Nam Cực? Vì Nam Cực có nhiều Băng.
Băng có hai vai trò: vật chất để neutrino tương tác và môi trường truyền ánh sáng từ tương tác ấy đến cảm biến.
Băng sâu ở Nam Cực đáp ứng đồng thời nhiều yêu cầu:
- Có thể tích rất lớn.
- Có những lớp rất trong, cho phép ánh sáng truyền đến cảm biến.
- Cảm biến được giữ trong băng, tạo nên cấu hình tương đối ổn định.
- Lớp băng bên trên giúp giảm một phần tín hiệu nền từ bề mặt.
- Trạm nghiên cứu Nam Cực gần đó giúp cung cấp hạ tầng để xây dựng và vận hành.
Quá lý tưởng nhờ :v
2. Thử nghiệm trước bằng AMANDA
Trước IceCube, nhóm nghiên cứu đã phát triển AMANDA để kiểm tra khả năng sử dụng băng làm máy dò.
Những cảm biến ban đầu được đặt ở độ sâu khoảng 800-1.000 mét. Kết quả cho thấy băng tại đây chứa quá nhiều bọt khí. Bọt khí tán xạ ánh sáng, khiến việc đọc chính xác tín hiệu trở nên khó khăn.
Khi khảo sát sâu hơn, nhóm xác định được những lớp băng phù hợp hơn, ở độ sâu khoảng 1.500 mét trở xuống.
Điều này quan trọng vì “băng nhìn có vẻ trong” chưa đủ để thiết kế máy dò. Phải đo xem ánh sáng truyền bao xa, bị hấp thụ và tán xạ như thế nào trong môi trường đó nữa.
Ở cấu hình AMANDA-II, hệ thống có 677 cảm biến trên 19 dây. Nó đã quan sát được neutrino và chứng minh phương pháp hoạt động rồi.
Tuy nhiên, để thu được tín hiệu thiên văn hiếm với độ nhạy cần thiết, nhóm phải mở rộng lên quy mô lớn hơn.
3. Xây dựng IceCube ở quy mô một kilômét khối
Hệ thống chính của IceCube gồm 5.160 mô-đun cảm biến quang học, bố trí trên 86 dây, trải trong khoảng một kilômét khối băng. Các cảm biến nằm ở độ sâu khoảng 1.450-2.450 mét.
Mỗi mô-đun có thiết bị rất nhạy với ánh sáng và hệ điện tử để ghi lại tín hiệu. Cáp nối chúng với hệ thống trên mặt băng.
Để lắp đặt, đội kỹ thuật dùng nước nóng áp suất cao làm tan những lỗ sâu trong băng, thả dây cảm biến xuống rồi để nước đóng băng trở lại.
Việc xây dựng đòi hỏi kiểm soát chính xác kích thước lỗ, tốc độ đóng băng và thời gian thả thiết bị. Nếu lỗ đóng quá nhanh hoặc quá hẹp, một dây cảm biến có thể bị mắc kẹt trước khi đến vị trí cần thiết.
Dây cuối cùng được lắp vào tháng 12/2010.
4. Chuyển một tương tác vô hình thành ánh sáng đo được
Ở trên, chúng ta đã biết neutrino rất ít tương tác với vật chất. Phần lớn neutrino đi xuyên qua khối băng mà không để lại dấu vết nào cho IceCube phát hiện.
Nhưng đôi khi, một neutrino tương tác với vật chất trong băng. Tương tác ấy có thể tạo ra những hạt mang điện, chẳng hạn muon. Muon được tạo ra có thể tiếp tục chuyển động qua băng với tốc độ rất cao.
Đây là lúc một hiện tượng quan trọng xuất hiện: ánh sáng Cherenkov.
Khi một hạt mang điện chuyển động nhanh hơn tốc độ truyền ánh sáng trong băng, nó có thể phát ra loại ánh sáng này. Các cảm biến của IceCube rất nhạy, nên có thể ghi nhận lượng ánh sáng nhỏ ấy.
Khoan, vật có khối lượng không thể đạt đến tốc độ ánh sáng mà?
Đúng, nhưng giới hạn đó là tốc độ ánh sáng trong chân không. Ánh sáng truyền trong băng chậm hơn trong chân không. Vì vậy, một hạt có thể chạy nhanh hơn ánh sáng truyền trong băng mà vẫn chưa vượt giới hạn của thuyết tương đối.
Như vậy, IceCube phát hiện neutrino theo một chuỗi gián tiếp: Neutrino tương tác với vật chất → tạo ra hạt mang điện → hạt ấy phát ra ánh sáng → cảm biến ghi nhận ánh sáng.
Thứ máy dò thực sự “nhìn thấy” là ánh sáng từ những hạt được tạo ra sau tương tác, chứ không phải bản thân neutrino.
5. Dùng nhiều cảm biến để dựng lại sự kiện
Phát hiện được ánh sáng mới chỉ là bước đầu. Muốn dùng neutrino để tìm hiểu vũ trụ, ta còn phải biết: nó đến từ hướng nào, có năng lượng khoảng bao nhiêu, và đã tương tác ở đâu?
Đó là lý do IceCube cần hàng nghìn cảm biến nằm ở những vị trí khác nhau trong băng.
Khi có một sự kiện, mỗi cảm biến ghi lại hai thông tin quan trọng:
- Nó nhận được bao nhiêu ánh sáng?
- Ánh sáng đến vào thời điểm nào?
Máy tính ghép những thông tin này với vị trí đã biết của từng cảm biến để dựng lại sự kiện.
Chẳng hạn, một hạt muon chuyển động qua máy dò sẽ phát ánh sáng dọc đường đi. Ánh sáng ấy đến các cảm biến ở những thời điểm khác nhau. Máy tính thử các đường đi có thể có của muon, rồi tìm đường đi giải thích dữ liệu phù hợp nhất. Từ hướng chuyển động của muon, các nhà khoa học có thể ước tính hướng đến của neutrino đã tạo ra nó.
Có hai dạng dấu vết thường gặp:
Vệt dài - track: thường xuất hiện khi có muon đi qua một quãng đường dài. Dạng này giúp xác định hướng đến của neutrino khá tốt.
Cụm sáng - cascade: xuất hiện khi tương tác tạo ra nhiều hạt, rồi chúng truyền năng lượng cho băng trong một vùng tương đối tập trung. Dạng này thường khó xác định hướng chính xác hơn so với vệt dài.
Lượng ánh sáng cũng giúp ước tính năng lượng được truyền vào vùng quan sát. Tuy nhiên, năng lượng ghi nhận trong máy dò chưa chắc bằng toàn bộ năng lượng của neutrino: một phần có thể được mang ra ngoài bởi các hạt đã rời khỏi vùng cảm biến.
Việc dựng lại sự kiện còn phải tính đến ánh sáng bị hấp thụ hoặc tán xạ trong băng. Vì vậy, đây là một phép suy ra từ dữ liệu và mô hình vật lý, luôn có sai số; không phải cứ nối các cảm biến nhận ánh sáng lại là tìm được chính xác đường bay.
6. Phân biệt tín hiệu cần tìm với tín hiệu nền
Đến đây, IceCube đã có thể ghi nhận ánh sáng và dựng lại sự kiện. Nhưng còn một vấn đề lớn: không phải mọi dấu vết ghi được đều do neutrino từ một thiên thể xa xôi tạo ra.
Khi tia vũ trụ va chạm với khí quyển Trái Đất, chúng cũng tạo ra nhiều hạt, trong đó có:
- Muon khí quyển: một số muon đủ năng lượng để đi sâu xuống băng và tạo ra vệt sáng trong IceCube.
- Neutrino khí quyển: đây là neutrino thật, nhưng chúng được sinh ra trong khí quyển Trái Đất, thay vì tại nguồn thiên văn mà ta muốn nghiên cứu.
Những tín hiệu này được gọi là tín hiệu nền đối với mục tiêu tìm neutrino thiên văn. Đặc biệt, muon khí quyển xuất hiện nhiều hơn các sự kiện neutrino rất nhiều.
Để phân biệt, nhóm nghiên cứu dùng nhiều cách bổ sung cho nhau.
Cách thứ nhất: tìm những sự kiện bắt đầu bên trong máy dò
Hãy xét một muon được tạo ra trong khí quyển rồi bay xuống IceCube. Trước khi đến vùng giữa máy dò, nó phải đi qua vùng ngoài. Ánh sáng phát ra trên đường đi có thể được các cảm biến ở vùng ngoài ghi nhận.
Ngược lại, một neutrino có thể đi qua vùng ngoài mà chưa tương tác, nên chưa tạo ra ánh sáng. Nếu nó chỉ tương tác khi đã vào sâu bên trong, dấu vết ánh sáng sẽ bắt đầu từ đó.
Vì vậy, các nhà khoa học dùng những cảm biến ở vùng ngoài như một lớp kiểm tra: có dấu hiệu của một hạt mang điện đi vào từ bên ngoài hay không?
Nếu ánh sáng bắt đầu ở bên trong và không có dấu hiệu phù hợp của hạt đi vào, sự kiện có khả năng là tương tác neutrino hơn. Nhưng đây vẫn là cách chọn ứng viên, chưa phải bằng chứng rằng neutrino ấy đến từ một thiên thể xa xôi.
Cách này còn loại được một phần neutrino khí quyển. Lý do là một neutrino khí quyển có thể đi kèm muon được tạo ra trong cùng chuỗi va chạm. Nếu muon đi kèm bị lớp cảm biến ngoài phát hiện, sự kiện có thể bị loại.
Cách thứ hai: dùng cả Trái Đất để chặn muon
IceCube nằm ở Nam Cực. Nhóm nghiên cứu có thể chọn những vệt hạt đi từ dưới lên, thay vì đi từ phía bề mặt xuống.
Muon sinh ra trong khí quyển ở phía bên kia Trái Đất không thể xuyên qua cả hành tinh để đến IceCube. Neutrino thì có thể.
Một neutrino có thể đi xuyên qua Trái Đất, đến gần máy dò rồi tương tác với vật chất, tạo ra muon. Muon này chỉ cần đi quãng đường còn lại đến máy dò và để lại một vệt sáng hướng lên.
Như vậy, hạt xuyên qua Trái Đất là neutrino; muon được tạo ra ở gần máy dò. Chọn các vệt hướng lên giúp loại phần lớn tín hiệu nền do muon khí quyển.
Tuy nhiên, cách này vẫn giữ lại neutrino khí quyển, vì chúng cũng có khả năng xuyên qua Trái Đất. Ngoài ra, ở năng lượng rất cao, một phần neutrino bị Trái Đất hấp thụ, nên nhóm nghiên cứu phải tính đến sự mất mát ấy.
Cuối cùng, các nhà khoa học phải xét thêm năng lượng, hướng đến và số lượng sự kiện. Họ tính xem các nguồn trong khí quyển có thể tạo ra một tập hợp tín hiệu như đã quan sát hay không. Nếu dữ liệu vượt quá mức tín hiệu nền có thể giải thích, đó là cơ sở để nhận ra thành phần neutrino đến từ các nguồn thiên văn.
7. Từ dữ liệu đến kết luận có neutrino thiên văn
Các phương pháp ở phần 6 giúp loại bỏ rất nhiều tín hiệu nền. Nhưng những sự kiện còn lại vẫn có thể chứa muon khí quyển lọt qua bộ lọc và neutrino được sinh ra trong khí quyển.
Vậy làm sao biết trong đó có neutrino đến từ những nguồn xa xôi trong vũ trụ?
Nhóm nghiên cứu phải trả lời câu hỏi: nếu chỉ có các nguồn trong khí quyển, IceCube sẽ ghi nhận những gì?
Dựa trên những hiểu biết về tia vũ trụ, khí quyển và máy dò, họ xây dựng dự đoán về tín hiệu nền: có khoảng bao nhiêu sự kiện vượt qua các bước chọn lọc, năng lượng của chúng ra sao và chúng thường đến từ những hướng nào. Những dự đoán này cũng có bất định, nên phải được đưa vào phép phân tích.
Sau đó, nhóm đối chiếu dự đoán với dữ liệu thực tế.
Năm 2013, IceCube công bố 28 sự kiện từ dữ liệu thu trong giai đoạn tháng 5/2010 đến tháng 5/2012. Số lượng và các đặc điểm của mẫu này khó được giải thích nếu tất cả chỉ đến từ khí quyển. Khi bổ sung một thành phần neutrino thiên văn, dữ liệu được giải thích phù hợp hơn.
Kết quả đạt mức bằng chứng khoảng 4 sigma.
“Sigma” ở đây là cách biểu diễn mức độ bất thường của dữ liệu so với giả thuyết chỉ có tín hiệu nền. Hiểu đơn giản: nếu thực sự chỉ có các nguồn trong khí quyển, việc thu được dữ liệu bất thường đến mức này là rất hiếm. Mức sigma càng cao, khả năng giải thích kết quả chỉ bằng dao động ngẫu nhiên của tín hiệu nền càng kém thuyết phục.
Tuy nhiên, kết luận không phải là: “Cả 28 sự kiện đều chắc chắn đến từ thiên thể.”
Kết luận là: trong toàn bộ mẫu dữ liệu, có bằng chứng cho một thành phần neutrino thiên văn bên cạnh tín hiệu nền. Nhóm có thể nhận ra thành phần ấy mà chưa cần xác định chắc chắn nguồn gốc của từng sự kiện riêng lẻ.
Năm 2014, dữ liệu bổ sung nâng mẫu lên 37 sự kiện, trong khi số sự kiện nền dự kiến vào khoảng 15. Phân tích nâng mức bác bỏ giả thuyết chỉ có nguồn gốc khí quyển lên 5,7 sigma, củng cố mạnh kết quả trước đó. Con số này đến từ phép phân tích thống kê, chứ không đơn giản là lấy 37 trừ 15.
8. Từ “có neutrino thiên văn” đến “chúng được phát ra từ đâu?”
Phần 7 cho thấy có neutrino năng lượng cao đến từ ngoài khí quyển Trái Đất. Nhưng biết chúng tồn tại chưa có nghĩa là đã biết thiên thể nào tạo ra chúng.
Để tìm nguồn, nhóm nghiên cứu phải nối dấu vết trong IceCube với những đối tượng trên bầu trời.
Như đã giải thích ở phần 5, một vệt muon giúp ước tính hướng đến của neutrino. Và như ở phần IV, neutrino không bị từ trường làm lệch đường như các hạt mang điện. Vì vậy, hướng đến ấy là manh mối để khoanh vùng nguồn phát.
Ngày 22/9/2017, IceCube ghi nhận một sự kiện neutrino năng lượng cao tạo ra vệt muon. Hệ thống nhanh chóng gửi cảnh báo cho các đài quan sát khác, kèm vùng trời mà neutrino có khả năng đến từ đó.
Các nhà thiên văn đối chiếu vùng này với những nguồn đã biết. Một đối tượng đáng chú ý là TXS 0506+056, thuộc nhóm thiên thể gọi là blazar.
Có thể hình dung blazar là một thiên hà có hố đen siêu lớn ở trung tâm. Vùng quanh hố đen tạo ra những luồng vật chất chuyển động rất nhanh, trong đó một luồng hướng gần về phía Trái Đất.
Đúng vào giai đoạn phát hiện neutrino, TXS 0506+056 đang phát tia gamma mạnh. Các đài quan sát tiếp tục nghiên cứu nó bằng nhiều loại ánh sáng, từ sóng vô tuyến đến tia gamma. Sự trùng khớp về hướng đến và thời điểm hoạt động khiến blazar này trở thành một ứng viên nguồn phát đáng chú ý.
Nhưng một lần trùng khớp vẫn có thể là ngẫu nhiên.
Nhóm IceCube vì thế kiểm tra lại dữ liệu cũ từ cùng hướng. Họ tìm thấy một đợt dư thừa sự kiện neutrino trong giai đoạn tháng 9/2014 đến tháng 3/2015, vượt mức dự kiến từ tín hiệu nền. Đây là bằng chứng bổ sung từ một giai đoạn khác, củng cố mối liên hệ với TXS 0506+056.
Các kết quả công bố năm 2018 vì vậy cung cấp bằng chứng rằng blazar này là một nguồn neutrino năng lượng cao. Mối liên hệ được xây dựng từ nhiều dữ kiện cùng hỗ trợ nhau, chứ không chỉ từ việc một neutrino “chỉ về phía” một thiên thể.
Và đây chính là “thiên văn học đa sứ giả”: phối hợp những loại tín hiệu khác nhau để nghiên cứu cùng một nguồn. Trong trường hợp này, neutrino giúp lần theo hướng đến và nhận ra những quá trình liên quan đến hạt năng lượng cao; ánh sáng giúp xác định thiên thể và theo dõi hoạt động của nó. Hai nguồn thông tin kết hợp giúp chúng ta hiểu rõ hơn điều đang xảy ra ở nơi xa xôi ấy.
Woww.
VIII. Tổng kết
Thật sự, mình đã dành nhiều thời gian để học và đọc giải Nobel này, và mình thật sự trầm trồ vì mức độ phức tạp của nó.
Giá trị của công trình được trao Nobel nằm ở cả chuỗi phức tạp này: phát triển ý tưởng, kiểm tra băng bằng AMANDA, xây dựng một máy dò đủ lớn, đọc các dấu vết ánh sáng và chứng minh có neutrino năng lượng cao từ các thiên thể.
Halzen giữ vai trò quyết định trong tầm nhìn và dẫn dắt dự án. Tuy nhiên, hiện thực hóa và các khám phá là thành quả của một tập thể đa quốc gia.
Mọi nỗ lực khủng khiếp ấy, chỉ để xây dựng công trình giúp con người khai thác thêm một nguồn thông tin về vũ trụ, những môi trường đang tạo ra các hạt năng lượng cực lớn.
Hành trình của nhân loại chúng ta về vươn vào vũ trụ vẫn còn rất xa. Hi vọng những nỗ lực của nhân loại sẽ tiếp tục giúp chúng ta tiến bước.
Nguồn
Futizen