Hơn 10 năm trước, một khinh khí cầu khoa học đã ghi lại được điều bất ngờ trong sự im lặng băng giá của Nam Cực: tín hiệu vô tuyến phát ra từ sâu trong lòng Trái Đất, thách thức các định luật vật lý hạt đã biết. Những tín hiệu hấp dẫn này đã làm dấy lên nhiều năm nghiên cứu và tranh luận giữa các nhà vật lý. Giờ đây, dữ liệu mới lại thêm một lớp bí ẩn nữa.
Câu chuyện này bắt đầu vào năm 2006 với việc triển khai Ăng-ten xung động tạm thời Nam Cực, hay viết tắt là ANITA. Đây là một khinh khí cầu khoa học được thiết kế để thu các tín hiệu vô tuyến liên quan đến tia vũ trụ – bức xạ năng lượng cao thường liên quan đến các hiện tượng thiên văn cực đoan như siêu tân tinh hoặc hố đen.
Ban đầu, các nhà nghiên cứu tin rằng đây là một hiện tượng bất thường... cho đến khi các sự kiện tương tự khác xảy ra trong khoảng thời gian từ năm 2014 đến năm 2016. Lần này, không còn nghi ngờ gì nữa: tín hiệu này rõ ràng không phải do một hiện tượng không gian tạo ra. Tuy nhiên, nguồn gốc chính xác của nó vẫn khiến các chuyên gia bối rối.
"Các sóng vô tuyến mà chúng tôi phát hiện nằm ở góc rất dốc, khoảng 30 độ dưới bề mặt băng," Stephanie Wissel, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Pennsylvania, người đã nghiên cứu sâu rộng về chủ đề này, giải thích. "Đây là một vấn đề thú vị vì chúng ta vẫn chưa có lời giải thích rõ ràng cho những bất thường này," bà nói.
Neutrino: Điều gì sẽ xảy ra nếu “hạt ma” tương tác với ánh sáng?
Hơn nữa, góc và năng lượng của các tín hiệu phù hợp với những gì người ta mong đợi quan sát được nếu một loại neutrino cụ thể – một neutrino tau năng lượng cao – đi qua Trái đất. Nếu vậy, lý thuyết cho rằng nó có thể đã tương tác gần bề mặt, tạo ra một hạt phụ khác (một lepton tau) sau đó sẽ phân rã trong khí quyển.
Nhưng vấn đề ở đây là: các định luật vật lý, như được định nghĩa trong Mô hình Chuẩn, cho rằng hiện tượng như vậy sẽ cực kỳ khó xảy ra, xét về mặt thống kê. Vì vậy, có điều gì đó đáng ngờ đang diễn ra, và các nhà nghiên cứu đã quyết định tiến hành một nghiên cứu mới để cố gắng tìm hiểu tận cùng sự việc.
Trong bối cảnh này, một nhóm nghiên cứu quốc tế lớn đã bắt đầu sàng lọc cẩn thận dữ liệu do Đài quan sát Pierre Auger ở Argentina thu thập. Đài quan sát này được thiết kế riêng để phát hiện các tia vũ trụ năng lượng cao; nếu tín hiệu này thực sự có liên hệ chặt chẽ hoặc xa với neutrino, thì có thể theo dõi chúng trong dữ liệu này.
Nhưng nói thì dễ hơn làm. Chỉ sàng lọc dữ liệu của đài quan sát sẽ không đủ để tìm ra dấu vết của những tín hiệu này được ANITA ghi lại. Do tính chất hiếm và đơn lẻ của chúng, chúng sẽ bị nhấn chìm trong một loạt các tín hiệu khác khiến vấn đề trở nên phức tạp. Nếu chúng thực sự hiện diện, chúng sẽ tự biểu hiện theo cách kín đáo và tinh tế.
Điều này giống như tìm kiếm tiếng thì thầm giữa sân vận động bóng đá: lắng nghe chăm chú là không đủ. Để tìm ra dấu vết, trước tiên bạn cần phải có ý tưởng rõ ràng về việc tín hiệu này có thể nghe như thế nào để có thể tìm kiếm nó một cách cụ thể. Do đó, các nhà nghiên cứu đã thực hiện nhiều mô phỏng để xác định những tín hiệu bí ẩn này sẽ trông như thế nào trong dữ liệu của Đài quan sát Pierre Auger, giả sử chúng có mặt.
Theo trực giác, điều này có vẻ như là một thất bại hoàn toàn. Nhưng thực tế thì phức tạp hơn nhiều. Trong khoa học, việc không tìm thấy gì cũng có thể rất tiết lộ: nó thường cho phép chúng ta thu hẹp phạm vi các giả thuyết và tiến gần hơn đến một lời giải thích. Và nghiên cứu này là một ví dụ điển hình.
Vì các dị thường mà ANITA quan sát được dường như không xuất hiện trong dữ liệu từ Đài quan sát Pierre Auger, điều này cho thấy rõ ràng rằng về cơ bản chúng không liên quan đến neutrino… và theo nghĩa mở rộng, chúng có liên quan đến một hiện tượng khác mà các nhà nghiên cứu chưa từng xem xét.
Toàn bộ câu hỏi là để biết nó là gì. Liệu chúng ta có thể đang giải quyết một hạt hoàn toàn mới chưa từng được ghi nhận trước đây không? Hiện tại, các tác giả của nghiên cứu không có dữ liệu cần thiết để xác định điều này và bí ẩn vẫn còn đó. Mặc dù ANITA đã ngừng hoạt động vào năm 2016, một khinh khí cầu mới có tên Tải trọng quan sát năng lượng cực cao (PUEO) sẽ sớm thay thế nó. Với các cảm biến mạnh hơn so với thế hệ trước, nó có thể mang lại dữ liệu mới quan trọng, lý tưởng nhất là cuối cùng sẽ giúp giải quyết bí ẩn lâu đời này.
"Hiện tại, nó vẫn là một bí ẩn lâu đời. Nhưng chúng ta sẽ có độ nhạy tốt hơn với PUEO, và điều đó thật thú vị. Về nguyên tắc, chúng ta sẽ phát hiện ra nhiều dị thường hơn và có lẽ cuối cùng chúng ta có thể hiểu được bản chất của chúng. Chúng ta cũng có thể phát hiện ra neutrino, theo một cách nào đó, điều này sẽ thú vị hơn nhiều", Wissel hào hứng nói.
Vì vậy, chúng ta sẽ gặp lại các bạn sau một vài năm nữa, khi PUEO có đủ thời gian để thu thập đủ dữ liệu, cho tập tiếp theo của loạt phim khoa học hấp dẫn này.
Câu chuyện này bắt đầu vào năm 2006 với việc triển khai Ăng-ten xung động tạm thời Nam Cực, hay viết tắt là ANITA. Đây là một khinh khí cầu khoa học được thiết kế để thu các tín hiệu vô tuyến liên quan đến tia vũ trụ – bức xạ năng lượng cao thường liên quan đến các hiện tượng thiên văn cực đoan như siêu tân tinh hoặc hố đen.
Một "mưa bức xạ vũ trụ ngược"
Các nhà nghiên cứu đằng sau thí nghiệm này rõ ràng đã mong đợi những tín hiệu như vậy đến từ không gian. Nhưng điều ngược lại đã xảy ra: bắt đầu từ năm 2014, ANITA đã ghi lại các xung vô tuyến đến từ... bên dưới, như thể chúng được tạo ra bởi một hiện tượng nằm bên dưới băng. Tóm lại là một "mưa bức xạ vũ trụ ngược".Ban đầu, các nhà nghiên cứu tin rằng đây là một hiện tượng bất thường... cho đến khi các sự kiện tương tự khác xảy ra trong khoảng thời gian từ năm 2014 đến năm 2016. Lần này, không còn nghi ngờ gì nữa: tín hiệu này rõ ràng không phải do một hiện tượng không gian tạo ra. Tuy nhiên, nguồn gốc chính xác của nó vẫn khiến các chuyên gia bối rối.
"Các sóng vô tuyến mà chúng tôi phát hiện nằm ở góc rất dốc, khoảng 30 độ dưới bề mặt băng," Stephanie Wissel, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Pennsylvania, người đã nghiên cứu sâu rộng về chủ đề này, giải thích. "Đây là một vấn đề thú vị vì chúng ta vẫn chưa có lời giải thích rõ ràng cho những bất thường này," bà nói.
Vết neutrino
Ban đầu, các nhà nghiên cứu nhanh chóng gợi ý rằng chìa khóa cho câu đố này có thể ẩn giấu trong các neutrino nổi tiếng, đặc biệt là vì góc mà tín hiệu được phát hiện. Vì nó đến từ bên dưới đường chân trời, điều này cho thấy các hạt tạo nên nó đã đi qua vật chất rắn trước khi đến ANITA. Do đó, neutrino là ứng cử viên lý tưởng và có lý do chính đáng: chúng hầu như trơ, cực kỳ nhẹ, trung hòa về điện và hầu như không bao giờ tương tác với vật chất xung quanh – do đó chúng có biệt danh là “hạt ma”.Neutrino: Điều gì sẽ xảy ra nếu “hạt ma” tương tác với ánh sáng?
Hơn nữa, góc và năng lượng của các tín hiệu phù hợp với những gì người ta mong đợi quan sát được nếu một loại neutrino cụ thể – một neutrino tau năng lượng cao – đi qua Trái đất. Nếu vậy, lý thuyết cho rằng nó có thể đã tương tác gần bề mặt, tạo ra một hạt phụ khác (một lepton tau) sau đó sẽ phân rã trong khí quyển.
Nhưng vấn đề ở đây là: các định luật vật lý, như được định nghĩa trong Mô hình Chuẩn, cho rằng hiện tượng như vậy sẽ cực kỳ khó xảy ra, xét về mặt thống kê. Vì vậy, có điều gì đó đáng ngờ đang diễn ra, và các nhà nghiên cứu đã quyết định tiến hành một nghiên cứu mới để cố gắng tìm hiểu tận cùng sự việc.
Trong bối cảnh này, một nhóm nghiên cứu quốc tế lớn đã bắt đầu sàng lọc cẩn thận dữ liệu do Đài quan sát Pierre Auger ở Argentina thu thập. Đài quan sát này được thiết kế riêng để phát hiện các tia vũ trụ năng lượng cao; nếu tín hiệu này thực sự có liên hệ chặt chẽ hoặc xa với neutrino, thì có thể theo dõi chúng trong dữ liệu này.
Nhưng nói thì dễ hơn làm. Chỉ sàng lọc dữ liệu của đài quan sát sẽ không đủ để tìm ra dấu vết của những tín hiệu này được ANITA ghi lại. Do tính chất hiếm và đơn lẻ của chúng, chúng sẽ bị nhấn chìm trong một loạt các tín hiệu khác khiến vấn đề trở nên phức tạp. Nếu chúng thực sự hiện diện, chúng sẽ tự biểu hiện theo cách kín đáo và tinh tế.
Điều này giống như tìm kiếm tiếng thì thầm giữa sân vận động bóng đá: lắng nghe chăm chú là không đủ. Để tìm ra dấu vết, trước tiên bạn cần phải có ý tưởng rõ ràng về việc tín hiệu này có thể nghe như thế nào để có thể tìm kiếm nó một cách cụ thể. Do đó, các nhà nghiên cứu đã thực hiện nhiều mô phỏng để xác định những tín hiệu bí ẩn này sẽ trông như thế nào trong dữ liệu của Đài quan sát Pierre Auger, giả sử chúng có mặt.
Sự im lặng tiết lộ trong dữ liệu
Cuối quá trình, họ ra về tay trắng: không phát hiện thấy bất kỳ mẫu nào, dù nhỏ đến đâu, có thể tương ứng với các sự kiện được ANITA ghi lại trong dữ liệu.Theo trực giác, điều này có vẻ như là một thất bại hoàn toàn. Nhưng thực tế thì phức tạp hơn nhiều. Trong khoa học, việc không tìm thấy gì cũng có thể rất tiết lộ: nó thường cho phép chúng ta thu hẹp phạm vi các giả thuyết và tiến gần hơn đến một lời giải thích. Và nghiên cứu này là một ví dụ điển hình.
Vì các dị thường mà ANITA quan sát được dường như không xuất hiện trong dữ liệu từ Đài quan sát Pierre Auger, điều này cho thấy rõ ràng rằng về cơ bản chúng không liên quan đến neutrino… và theo nghĩa mở rộng, chúng có liên quan đến một hiện tượng khác mà các nhà nghiên cứu chưa từng xem xét.
Toàn bộ câu hỏi là để biết nó là gì. Liệu chúng ta có thể đang giải quyết một hạt hoàn toàn mới chưa từng được ghi nhận trước đây không? Hiện tại, các tác giả của nghiên cứu không có dữ liệu cần thiết để xác định điều này và bí ẩn vẫn còn đó. Mặc dù ANITA đã ngừng hoạt động vào năm 2016, một khinh khí cầu mới có tên Tải trọng quan sát năng lượng cực cao (PUEO) sẽ sớm thay thế nó. Với các cảm biến mạnh hơn so với thế hệ trước, nó có thể mang lại dữ liệu mới quan trọng, lý tưởng nhất là cuối cùng sẽ giúp giải quyết bí ẩn lâu đời này.
"Hiện tại, nó vẫn là một bí ẩn lâu đời. Nhưng chúng ta sẽ có độ nhạy tốt hơn với PUEO, và điều đó thật thú vị. Về nguyên tắc, chúng ta sẽ phát hiện ra nhiều dị thường hơn và có lẽ cuối cùng chúng ta có thể hiểu được bản chất của chúng. Chúng ta cũng có thể phát hiện ra neutrino, theo một cách nào đó, điều này sẽ thú vị hơn nhiều", Wissel hào hứng nói.
Vì vậy, chúng ta sẽ gặp lại các bạn sau một vài năm nữa, khi PUEO có đủ thời gian để thu thập đủ dữ liệu, cho tập tiếp theo của loạt phim khoa học hấp dẫn này.
