Quả cầu khổng lồ ẩn dưới núi ở Trung Quốc bắt được hạt ma, phá vỡ hiểu biết vật lý của nhân loại

Sâu 700 mét dưới một ngọn núi ở miền nam Trung Quốc, một quả cầu khổng lồ chứa đầy chất lỏng siêu tinh khiết đang âm thầm quan sát những hạt nhỏ nhất và khó hiểu nhất trong vũ trụ. Chúng là neutrino, những hạt ma gần như không tương tác với bất kỳ thứ gì và xuyên qua cơ thể chúng ta với tốc độ hàng nghìn tỷ mỗi giây mà ta không hề hay biết. 

Thế nhưng chính những hạt ma này, trong thí nghiệm quy mô lớn mang tên Đài quan sát Neutrino Ngầm Giang Môn JUNO, vừa hé lộ một bất ngờ làm rung chuyển nền vật lý hiện đại. 

Kết quả thu được chỉ sau 59 ngày vận hành đã xác nhận sự bất tương hợp bí ẩn giữa các neutrino Mặt Trời và neutrino từ lò phản ứng, điều mà giới khoa học nghi ngờ trong nhiều năm nhưng chưa ai đủ sức chứng minh.

Phía sau phát hiện này là một công trình có quy mô gây kinh ngạc. Bên dưới lớp đá dày, các kỹ sư Trung Quốc đã xây dựng một quả cầu khổng lồ chứa 20.000 tấn chất phát quang siêu trong. Đây là trái tim của JUNO, hiện được xem là máy dò neutrino lớn nhất và nhạy nhất thế giới. 

Bao quanh nó là hơn 43.000 ống nhân quang điện, mỗi ống tinh chỉnh để ghi nhận những tia sáng nhỏ xíu phát ra khi một neutrino bất ngờ va chạm vào proton trong chất lỏng. Số tia sáng đó hiếm đến mức mỗi lần xuất hiện đều mang giá trị như một mẩu thông tin vô giá từ vũ trụ.

Quy mô của JUNO vượt xa bất kỳ thí nghiệm tương tự nào trước đây. Nó lớn hơn 20 lần so với KamLAND của Nhật Bản, sử dụng hệ thống thu ánh sáng tinh vi nhất từng được chế tạo. Theo nhà vật lý J. Pedro Ochoa Ricoux của Đại học California Irvine, người trực tiếp tham gia dự án, mức độ đòi hỏi kỹ thuật ở JUNO gần như không cho phép sai sót. Thế nhưng sau ba tháng vận hành đầu tiên, mọi dữ liệu đều cho thấy hệ thống hoạt động hoàn hảo.

Dự án trị giá 350 triệu đô la này chính thức vận hành toàn phần vào cuối tháng 8 và chỉ đến tháng 11 đã lập tức tạo ra phát hiện đầu tiên. Những phép đo cho thấy neutrino đến từ Mặt Trời có hành vi khác biệt nhẹ nhưng rõ rệt khi so với neutrino tạo ra trong các lò phản ứng hạt nhân. Điều này từng được một số thí nghiệm quốc tế gợi ý, nhưng JUNO là công trình đầu tiên đạt được độ chính xác đủ cao để xác nhận nó. 

Hai tham số dao động quan trọng của neutrino Mặt Trời là theta 12 và delta m bình phương 21 được JUNO đo chính xác hơn 1,6 lần so với tổng hợp tất cả các thí nghiệm trước đó cộng lại. Giám đốc dự án Wang Yifang cho biết việc đạt được độ chính xác như vậy chỉ sau hai tháng cho thấy máy dò hoạt động đúng như những gì các nhà khoa học kỳ vọng.

Phát hiện này khơi dậy một câu hỏi lớn: liệu các mô hình vật lý hiện tại có đang bỏ sót điều gì đó về bản chất của neutrino. Không thể trông cậy vào giả thuyết nhiễu số liệu nữa vì kết quả đã được xác thực bằng thiết bị tiên tiến nhất của nhân loại hiện nay. Các nhà khoa học buộc phải đối mặt với khả năng rằng chúng ta có thể đang chứng kiến dấu hiệu đầu tiên của vật lý mới, điều từng chỉ tồn tại trong các bài toán lý thuyết.

Lịch sử vật lý hạt từng có thời xem neutrino là hạt không khối lượng. Nhưng vào cuối thế kỷ 20, các thí nghiệm ở Nhật Bản và Mỹ đã chứng minh neutrino có thể dao động giữa ba dạng electron, muon và tau trong quá trình di chuyển. Sự dao động này chỉ có thể xảy ra nếu neutrino sở hữu khối lượng. Tuy nhiên đến nay chưa ai biết chính xác khối lượng đó là bao nhiêu và trật tự nặng nhẹ giữa ba dạng neutrino ra sao.

Đây chính là nhiệm vụ lớn nhất của JUNO. Nếu xác định được trật tự khối lượng neutrino, giới khoa học có thể giải mã bí ẩn vì sao vật chất vẫn tồn tại sau Vụ Nổ Lớn thay vì bị tiêu diệt hoàn toàn bởi phản vật chất. Như Sam Zeller, phó giám đốc dự án DUNE của Mỹ từng nói, trật tự khối lượng neutrino có thể là cánh cổng dẫn đến câu hỏi cuối cùng của nhân loại: tại sao chúng ta tồn tại.

Để giải câu hỏi này, JUNO phải quan sát những dao động tinh tế trong phản neutrino phát ra từ hai nhà máy điện hạt nhân gần đó. Mỗi lần neutrino bị phát hiện là một mảnh ghép giúp thu hẹp các tham số biến đổi. Dự kiến sau sáu năm, JUNO sẽ có đủ dữ liệu để xác định trật tự khối lượng với độ tin cậy ba sigma, mức độ thuyết phục cao trong ngành vật lý.

Nỗ lực của JUNO diễn ra trong bối cảnh cuộc đua quốc tế về khoa học neutrino đang nóng lên. Thí nghiệm DUNE ở Mỹ và Hyper Kamiokande ở Nhật Bản đều sẽ sớm thu thập dữ liệu để truy tìm câu trả lời tương tự. Nhưng thành công bước đầu của JUNO cho thấy cộng đồng vật lý toàn cầu đang tiến gần hơn bao giờ hết đến việc hiểu rõ một trong những hạt bí ẩn nhất từng được biết đến.

Không chỉ phục vụ mục tiêu vật lý hạt, JUNO còn sở hữu độ nhạy đủ để quan sát các hiện tượng khác trong vũ trụ và ngay trên Trái Đất. Nếu một siêu tân tinh bất ngờ phát nổ trong vùng lân cận thiên hà, JUNO có thể là một trong những thiết bị đầu tiên bắt được tín hiệu neutrino phát ra, qua đó cảnh báo sớm cho các nhà thiên văn học. 

Máy dò này cũng có thể quan sát geoneutrino, loại neutrino phát sinh từ quá trình phân rã phóng xạ trong lòng Trái Đất, giúp trả lời câu hỏi hành tinh của chúng ta tạo ra bao nhiêu nhiệt từ bên trong.

Theo ông Cao Jun, giám đốc Viện Vật lý năng lượng cao Trung Quốc, JUNO sẽ tiếp tục hoạt động trong nhiều thập kỷ, không chỉ cung cấp thêm những phát hiện quan trọng mà còn đào tạo thế hệ nhà khoa học mới cho ngành vật lý hạt toàn cầu.

Nhìn rộng hơn, mỗi phát hiện liên quan đến neutrino đều đưa con người tiến gần hơn đến việc giải mã nguồn gốc vật chất, năng lượng và cấu trúc của vũ trụ. Những hạt nhỏ bé gần như không tương tác này có thể chính là chìa khóa quan trọng để hiểu vì sao vũ trụ tồn tại như ngày nay. Và quả cầu khổng lồ sâu dưới ngọn núi ở Trung Quốc đang âm thầm viết những chương đầu tiên cho hành trình đó.