Một máy dò hạt vũ trụ đã phát hiện ra một vụ nổ tín hiệu vô tuyến kỳ lạ từ băng Nam Cực hiện đang thách thức lời giải thích. Các nhà khoa học cho biết kết quả có thể ám chỉ sự tồn tại của các hạt mới hoặc tương tác giữa các hạt hiện chưa được biết đến trong vật lý.
Các xung vô tuyến bí ẩn đã được thu được cách Trái đất khoảng 25 dặm (40 km) bởi thí nghiệm Anten xung động tạm thời Nam Cực (ANITA). ANITA là một loạt các thiết bị bay lơ lửng trên Nam Cực, được các khinh khí cầu mang theo với mục đích phát hiện các neutrino vũ trụ năng lượng cực cao (UHE) và các tia vũ trụ khác khi chúng bắn xuống Trái đất từ không gian.
ANITA thường thu được tín hiệu khi chúng phản xạ từ băng Nam Cực, nhưng các xung này lại khác, chúng đến từ bên dưới đường chân trời theo một hướng mà hiện tại vật lý hạt không thể giải thích được.
"Đây là một vấn đề thú vị, vì chúng ta vẫn chưa thực sự có lời giải thích cho những bất thường đó là gì", thành viên nhóm ANITA và Đại học Penn State nhà nghiên cứu Stephanie Wissel đã phát biểu trong một tuyên bố. "Những gì chúng ta biết là rất có thể chúng không đại diện cho neutrino."
Các sóng vô tuyến mà ANITA phát hiện được định hướng ở các góc rất dốc, 30 độ bên dưới bề mặt băng.
Điều này có nghĩa là tín hiệu phải đi qua hàng nghìn dặm đá trước khi đến được ANITA. Điều này lẽ ra phải dẫn đến các tương tác khiến các xung vô tuyến quá yếu để có thể phát hiện được, nhưng rõ ràng điều đó đã không xảy ra ở đây.
Do đó, khi neutrino — cũng là hạt phổ biến nhất trong vũ trụ — truyền qua vũ trụ với tốc độ gần bằng ánh sáng sau khi được phóng ra bởi các sự kiện vũ trụ mạnh mẽ, chúng có thể "pha" qua vật chất, hầu như không tương tác.
Điều đó có nghĩa là chúng vẫn không thay đổi sau khi đi qua nhiều năm ánh sáng, khiến chúng trở thành "sứ giả" đáng kinh ngạc có thể dạy các nhà khoa học về các sự kiện đã phóng chúng. Tuy nhiên, bản chất ma quái này cũng khiến neutrino cực kỳ khó phát hiện.
"Có hàng tỷ neutrino đi qua móng tay cái của bạn bất cứ lúc nào, nhưng neutrino không thực sự tương tác", Wissel nói. "Vì vậy, đây là vấn đề con dao hai lưỡi. Nếu chúng ta phát hiện ra chúng, điều đó có nghĩa là chúng đã di chuyển suốt chặng đường này mà không tương tác với bất kỳ thứ gì khác. Chúng ta có thể phát hiện ra một neutrino đến từ rìa của vũ trụ quan sát được."
May mắn thay, ngay cả việc bắt được một neutrino khi nó đi qua Trái đất cũng có thể tiết lộ rất nhiều thông tin.
Vì vậy, thiết kế các thí nghiệm phức tạp và đưa chúng đến các vùng xa xôi của Trái đất hoặc đặt chúng sâu dưới lòng đất trong Hy vọng tiêu diệt được bóng ma vũ trụ là rất đáng công sức của các nhà khoa học như Wissel.
"Chúng tôi sử dụng máy dò vô tuyến để cố gắng chế tạo kính viễn vọng neutrino thực sự, thực sự lớn để có thể theo dõi tốc độ sự kiện dự kiến khá thấp", Wissel cho biết.
Chỉ cần một thiết bị như vậy, ANITA trôi nổi 25 dặm trên băng Nam Cực, tránh xa khả năng có các tín hiệu gây nhiễu khác, săn lùng cái gọi là "mưa băng".
"Chúng tôi hướng ăng-ten xuống băng và tìm kiếm các neutrino tương tác trong băng, tạo ra các bức xạ vô tuyến mà sau đó chúng tôi có thể cảm nhận trên máy dò của mình", Wissel nói tiếp.
Những trận mưa băng này được gây ra bởi một "hương vị" neutrino đặc biệt gọi là neutrino tau, chúng va vào băng và tương tác để tạo ra một hạt con gọi là lepton tau. Hạt này nhanh chóng phân rã thành một "trận mưa không khí" chứa các hạt thành phần thậm chí còn nhỏ hơn.
Phân biệt giữa mưa không khí và mưa băng cho thấy đặc điểm của hạt tương tác ban đầu và nguồn gốc của hạt này. Wissel so sánh chiến lược này với việc sử dụng góc của một quả bóng nảy để theo dõi nó trở lại đường đi ban đầu của nó.
Tuy nhiên, vì góc của các tín hiệu mới phát hiện này sắc nét hơn so với các mô hình vật lý hiện tại cho phép, nên quá trình quay ngược lại là không thể trong trường hợp này.
Thậm chí còn khó hiểu hơn, các máy dò neutrino khác như Thí nghiệm IceCube và Đài quan sát Pierre Auger không phát hiện ra bất cứ điều gì có thể giải thích các tín hiệu này và mưa không khí hướng lên trên.
Do đó, các nhà nghiên cứu ANITA đã tuyên bố các tín hiệu là "bất thường", xác định rằng chúng không phải là kết quả của neutrino. Do đó, các tín hiệu có thể chỉ ra điều gì đó mới, thậm chí có thể là một gợi ý về vật chất tối, "vật chất" vũ trụ bí ẩn chiếm khoảng 85% hàm lượng vật chất của vũ trụ.
Các câu chuyện liên quan:
— Các nhà khoa học phát hiện ra hạt ma năng lượng cao nhất từng được nhìn thấy — nó đến từ đâu?
— Các neutrino khó nắm bắt được phát hiện đang chảy từ một lỗ đen ẩn trong bụi
— Những khám phá thiên văn vĩ đại nhất trong 25 năm qua
Những câu trả lời tiếp theo có thể phải chờ "điều lớn lao tiếp theo" trong phát hiện neutrino, thiết bị Payload for Ultrahigh Energy Observations (PUEO) lớn hơn và nhạy hơn, hiện đang được Penn phát triển Tiểu bang.
"Tôi đoán rằng có một số hiệu ứng lan truyền vô tuyến thú vị xảy ra gần băng và cũng gần đường chân trời mà tôi không hiểu hết, nhưng chúng tôi chắc chắn đã khám phá một số trong số đó, và chúng tôi vẫn chưa thể tìm thấy bất kỳ hiệu ứng nào trong số đó", Wissel nói. "Vì vậy, ngay bây giờ, đây là một trong những bí ẩn lâu đời này, và tôi rất vui mừng rằng khi chúng tôi bay PUEO, chúng tôi sẽ có độ nhạy tốt hơn.
"Về nguyên tắc, chúng tôi sẽ thu được nhiều bất thường hơn và có thể chúng tôi sẽ thực sự hiểu chúng là gì. Chúng tôi cũng có thể phát hiện ra neutrino, theo một số cách, điều này sẽ thú vị hơn nhiều."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố trực tuyến vào tháng 3 trên tạp chí Physical Review Letters.
Các xung vô tuyến bí ẩn đã được thu được cách Trái đất khoảng 25 dặm (40 km) bởi thí nghiệm Anten xung động tạm thời Nam Cực (ANITA). ANITA là một loạt các thiết bị bay lơ lửng trên Nam Cực, được các khinh khí cầu mang theo với mục đích phát hiện các neutrino vũ trụ năng lượng cực cao (UHE) và các tia vũ trụ khác khi chúng bắn xuống Trái đất từ không gian.
ANITA thường thu được tín hiệu khi chúng phản xạ từ băng Nam Cực, nhưng các xung này lại khác, chúng đến từ bên dưới đường chân trời theo một hướng mà hiện tại vật lý hạt không thể giải thích được.
"Đây là một vấn đề thú vị, vì chúng ta vẫn chưa thực sự có lời giải thích cho những bất thường đó là gì", thành viên nhóm ANITA và Đại học Penn State nhà nghiên cứu Stephanie Wissel đã phát biểu trong một tuyên bố. "Những gì chúng ta biết là rất có thể chúng không đại diện cho neutrino."
Các sóng vô tuyến mà ANITA phát hiện được định hướng ở các góc rất dốc, 30 độ bên dưới bề mặt băng.
Điều này có nghĩa là tín hiệu phải đi qua hàng nghìn dặm đá trước khi đến được ANITA. Điều này lẽ ra phải dẫn đến các tương tác khiến các xung vô tuyến quá yếu để có thể phát hiện được, nhưng rõ ràng điều đó đã không xảy ra ở đây.
ANITA có được manh mối về một bóng ma vũ trụ mới
Nghi phạm rõ ràng ngay lập tức cho tín hiệu này là neutrino. Rốt cuộc, chính chữ ký của các hạt này là thứ mà ANITA được thiết kế để thu thập. Neutrino được gọi không chính thức là "hạt ma" do thực tế là chúng không mang điện tích và hầu như không có khối lượng.Do đó, khi neutrino — cũng là hạt phổ biến nhất trong vũ trụ — truyền qua vũ trụ với tốc độ gần bằng ánh sáng sau khi được phóng ra bởi các sự kiện vũ trụ mạnh mẽ, chúng có thể "pha" qua vật chất, hầu như không tương tác.
Điều đó có nghĩa là chúng vẫn không thay đổi sau khi đi qua nhiều năm ánh sáng, khiến chúng trở thành "sứ giả" đáng kinh ngạc có thể dạy các nhà khoa học về các sự kiện đã phóng chúng. Tuy nhiên, bản chất ma quái này cũng khiến neutrino cực kỳ khó phát hiện.
"Có hàng tỷ neutrino đi qua móng tay cái của bạn bất cứ lúc nào, nhưng neutrino không thực sự tương tác", Wissel nói. "Vì vậy, đây là vấn đề con dao hai lưỡi. Nếu chúng ta phát hiện ra chúng, điều đó có nghĩa là chúng đã di chuyển suốt chặng đường này mà không tương tác với bất kỳ thứ gì khác. Chúng ta có thể phát hiện ra một neutrino đến từ rìa của vũ trụ quan sát được."
May mắn thay, ngay cả việc bắt được một neutrino khi nó đi qua Trái đất cũng có thể tiết lộ rất nhiều thông tin.
Vì vậy, thiết kế các thí nghiệm phức tạp và đưa chúng đến các vùng xa xôi của Trái đất hoặc đặt chúng sâu dưới lòng đất trong Hy vọng tiêu diệt được bóng ma vũ trụ là rất đáng công sức của các nhà khoa học như Wissel.
"Chúng tôi sử dụng máy dò vô tuyến để cố gắng chế tạo kính viễn vọng neutrino thực sự, thực sự lớn để có thể theo dõi tốc độ sự kiện dự kiến khá thấp", Wissel cho biết.
Chỉ cần một thiết bị như vậy, ANITA trôi nổi 25 dặm trên băng Nam Cực, tránh xa khả năng có các tín hiệu gây nhiễu khác, săn lùng cái gọi là "mưa băng".
"Chúng tôi hướng ăng-ten xuống băng và tìm kiếm các neutrino tương tác trong băng, tạo ra các bức xạ vô tuyến mà sau đó chúng tôi có thể cảm nhận trên máy dò của mình", Wissel nói tiếp.
Những trận mưa băng này được gây ra bởi một "hương vị" neutrino đặc biệt gọi là neutrino tau, chúng va vào băng và tương tác để tạo ra một hạt con gọi là lepton tau. Hạt này nhanh chóng phân rã thành một "trận mưa không khí" chứa các hạt thành phần thậm chí còn nhỏ hơn.
Phân biệt giữa mưa không khí và mưa băng cho thấy đặc điểm của hạt tương tác ban đầu và nguồn gốc của hạt này. Wissel so sánh chiến lược này với việc sử dụng góc của một quả bóng nảy để theo dõi nó trở lại đường đi ban đầu của nó.
Tuy nhiên, vì góc của các tín hiệu mới phát hiện này sắc nét hơn so với các mô hình vật lý hiện tại cho phép, nên quá trình quay ngược lại là không thể trong trường hợp này.
Thậm chí còn khó hiểu hơn, các máy dò neutrino khác như Thí nghiệm IceCube và Đài quan sát Pierre Auger không phát hiện ra bất cứ điều gì có thể giải thích các tín hiệu này và mưa không khí hướng lên trên.
Do đó, các nhà nghiên cứu ANITA đã tuyên bố các tín hiệu là "bất thường", xác định rằng chúng không phải là kết quả của neutrino. Do đó, các tín hiệu có thể chỉ ra điều gì đó mới, thậm chí có thể là một gợi ý về vật chất tối, "vật chất" vũ trụ bí ẩn chiếm khoảng 85% hàm lượng vật chất của vũ trụ.
Các câu chuyện liên quan:
— Các nhà khoa học phát hiện ra hạt ma năng lượng cao nhất từng được nhìn thấy — nó đến từ đâu?
— Các neutrino khó nắm bắt được phát hiện đang chảy từ một lỗ đen ẩn trong bụi
— Những khám phá thiên văn vĩ đại nhất trong 25 năm qua
Những câu trả lời tiếp theo có thể phải chờ "điều lớn lao tiếp theo" trong phát hiện neutrino, thiết bị Payload for Ultrahigh Energy Observations (PUEO) lớn hơn và nhạy hơn, hiện đang được Penn phát triển Tiểu bang.
"Tôi đoán rằng có một số hiệu ứng lan truyền vô tuyến thú vị xảy ra gần băng và cũng gần đường chân trời mà tôi không hiểu hết, nhưng chúng tôi chắc chắn đã khám phá một số trong số đó, và chúng tôi vẫn chưa thể tìm thấy bất kỳ hiệu ứng nào trong số đó", Wissel nói. "Vì vậy, ngay bây giờ, đây là một trong những bí ẩn lâu đời này, và tôi rất vui mừng rằng khi chúng tôi bay PUEO, chúng tôi sẽ có độ nhạy tốt hơn.
"Về nguyên tắc, chúng tôi sẽ thu được nhiều bất thường hơn và có thể chúng tôi sẽ thực sự hiểu chúng là gì. Chúng tôi cũng có thể phát hiện ra neutrino, theo một số cách, điều này sẽ thú vị hơn nhiều."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố trực tuyến vào tháng 3 trên tạp chí Physical Review Letters.
