Đầu năm nay, một máy dò dưới nước ở Biển Địa Trung Hải đã tìm thấy neutrino năng lượng nhất cho đến nay. Và các nhà khoa học vẫn đang nói về nó vì, ừm, khám phá này có thể là một vấn đề thực sự lớn. Không chỉ neutrino này, còn được gọi là "hạt ma", có thể đã chạy trốn khỏi vụ nổ tia gamma hoặc một hố đen siêu lớn, mà nó cũng có thể được tạo ra bởi một tia vũ trụ cực mạnh tương tác với nền vi sóng vũ trụ (CMB).
Phần sau mà chúng ta sẽ sớm tìm hiểu, có thể rất lớn. Hơn nữa, máy dò xác định được hạt này thậm chí còn chưa được chế tạo hoàn chỉnh — một khi lắp ráp xong, ai biết nó có thể làm được gì. "Chúng tôi rất vui mừng khi quan sát được sự kiện này và chúng tôi rất muốn biết thêm", người phát ngôn của KM3NeT, Paul de Jong thuộc Đại học Amsterdam, chia sẻ với Space.com
Để biết thêm thông tin, neutrino đã được phát hiện vào ngày 13 tháng 2 năm 2023 bởi KM3NeT do Liên minh Châu Âu tài trợ, Kính viễn vọng Neutrino Kilômét Khối. Neutrino là các hạt ma vì chúng có khối lượng rất nhỏ và hiếm khi tương tác với các dạng vật chất khác, khiến chúng rất khó phát hiện. Hàng nghìn tỷ neutrino đang đi qua cơ thể bạn mỗi giây, nhưng bạn không thể biết được. Các nhà khoa học phải kiên nhẫn để phát hiện ra dù chỉ một neutrino.
Các máy dò neutrino hiện đại được đặt trong nước, và đặc biệt là trong bóng tối. Đôi khi nước đó được giữ trong một bể chứa, như trường hợp của Đài quan sát Neutrino Sudbury ở Canada, cũng như với Super-Kamiokande ở Nhật Bản. Những lần khác, nước đó bị đóng băng trong lòng đất, như trường hợp của Đài quan sát Neutrino IceCube ở Nam Cực. Nhưng cũng có thể nhúng các máy dò neutrino xuống biển, như trường hợp của KM3NeT, sâu tới 2,17 dặm (3,5 km) dưới mực nước biển.
Lý do nước quan trọng như vậy là thỉnh thoảng, một neutrino sẽ tương tác với một phân tử nước. Năng lượng liên quan có thể lớn đến mức vụ va chạm làm vỡ phân tử nước thành một nhóm các hạt nhân và hạt con, cụ thể là muon. Các muon di chuyển nhanh, gần như nhanh như ánh sáng trong chân không, và chắc chắn là nhanh hơn ánh sáng khi đi qua nước — chiết suất của nước làm chậm ánh sáng xuống khoảng 738.188.976 feet mỗi giây (225.000.000 mét mỗi giây) so với 983.571.056 feet mỗi giây (299.792.458 mét mỗi giây) trong chân không. Vì các muon di chuyển nhanh hơn ánh sáng trong nước, chúng phát ra tương đương với tiếng nổ siêu thanh dưới dạng một tia sáng. Ánh sáng này được gọi là bức xạ Cherenkov.
KM3NeT bao gồm hai máy dò. Máy dò đầu tiên, được gọi là ORCA, nằm sâu 8.038 feet (2.450 mét) ngoài khơi bờ biển nước Pháp và được thiết kế để nghiên cứu cách neutrino dao động giữa các loại neutrino khác nhau. Máy dò còn lại, hay còn gọi là máy dò phát hiện ra neutrino năng lượng mới — được phân loại là KM3-230213A — được gọi là ARCA và nằm ngoài khơi bờ biển Sicily.
Cả ARCA và ORCA vẫn đang trong quá trình xây dựng. Khi hoàn thành, ARCA sẽ có 230 đường phát hiện thẳng đứng hướng xuống biển. Mỗi đường sẽ được lót bằng 18 mô-đun quang học chứa 31 ống nhân quang có thể phát hiện các tia bức xạ Cherenkov trong bóng tối ở độ sâu đó. Vào thời điểm ARCA phát hiện ra KM3-230213A, chỉ có 21 đường phát hiện của nó đang hoạt động.
Muon mà ARCA phát hiện có năng lượng là 120 PeV (1.000 nghìn tỷ hoặc một nghìn tỷ electronvolt), ngụ ý rằng neutrino tạo ra nó phải có năng lượng phá kỷ lục là 220 PeV. Năng lượng này mạnh hơn 100 nghìn tỷ lần so với photon ánh sáng khả kiến và mạnh hơn 30 lần so với neutrino từng giữ kỷ lục năng lượng trước đó.
Muon có thể di chuyển vài dặm qua biển trước khi bị hấp thụ và KM3NeT phát hiện ra muon di chuyển theo chiều ngang thay vì thẳng xuống đáy biển.
"Hướng ngang của muon rất quan trọng", de Jong cho biết.
Muon cũng có thể được hình thành trong quá trình phá vỡ tia vũ trụ, trong đó một tia vũ trụ đi vào bầu khí quyển của Trái đất và va chạm với một phân tử hoặc nguyên tử, đập vỡ nó thành một trận mưa các hạt hạ nguyên tử. Muon được hình thành theo cách này có thể chạm tới bề mặt hoặc đi vào đại dương trong khi di chuyển thẳng xuống — không theo chiều ngang. Để di chuyển theo chiều ngang, muon phải "được tạo ra gần máy dò và kịch bản thực tế duy nhất là nó được tạo ra bởi một neutrino năng lượng cao", de Jong cho biết.
Một neutrino 220 PeV là chưa từng có. Không có môi trường hoặc vật thể nào được biết đến trong thiên hà Milky Way của chúng ta có thể tạo ra một neutrino có nhiều năng lượng như vậy. Điều đó có nghĩa là nguồn gốc của nó phải là ngoài thiên hà, có lẽ được tạo ra trong sự dữ dội của một ngôi sao phát nổ và tạo ra một vụ nổ tia gamma, hoặc một hố đen siêu lớn xé toạc một ngôi sao hoặc đám mây khí bằng lực thủy triều hấp dẫn khổng lồ của nó. Vì neutrino không bị từ trường hoặc trọng lực làm lệch hướng, nên hướng di chuyển của chúng dẫn ngược về nguồn gốc của chúng.
"Hướng của muon gần giống hệt với hướng của neutrino ban đầu, vì vậy chúng ta có thể chơi trò chỉ hướng nó trở lại nguồn gốc vũ trụ của nó", de Jong nói.
Nguồn gốc đó nằm ở đâu đó theo hướng của chòm sao Orion, Thợ săn. Tuy nhiên, trong khi có nhiều thiên hà hoạt động với các lỗ đen siêu lớn trong khu vực đó, không có thiên hà nào trong số chúng biểu hiện hoạt động tại thời điểm đó có thể giải thích được neutrino, cũng không có vụ nổ tia gamma nào được phát hiện từ hướng đó vào thời điểm đó.
Nhưng một khả năng thú vị khác là KM3-230213A là neutrino "có nguồn gốc vũ trụ" đầu tiên được phát hiện, được tạo ra khi một tia vũ trụ năng lượng cực cao đập vào một photon thuộc nền vi sóng vũ trụ, đây là ánh sáng còn sót lại được giải phóng 379.000 năm sau Vụ nổ lớn.
Cần một tia vũ trụ cực kỳ năng lượng mới có thể tạo ra một neutrino như KM3-230213A. Các tia vũ trụ có năng lượng vượt quá 100.000 PeV đã được phát hiện bởi Đài quan sát Pierre Auger ở Argentina. Nguồn gốc của chúng vẫn chưa chắc chắn, nhưng theo lý thuyết, mỗi lần một tia vũ trụ như vậy gặp một photon CMB, vụ va chạm có thể tạo ra các neutrino có năng lượng như KM3-230213A.
Năng lượng tia vũ trụ càng lớn thì tiết diện tương tác của nó càng lớn, nghĩa là nó có nhiều khả năng tương tác với các photon CMB. Các tương tác liên tục giữa các tia vũ trụ và photon CMB làm chậm tia vũ trụ, hạn chế động năng của chúng. Đây được gọi là giới hạn Greisen–Zatsepin–Kuzmin (GZK).
Các bài viết liên quan:
— Các nhà khoa học phát hiện ra hạt ma có năng lượng cao nhất từng được nhìn thấy — nó đến từ đâu?
— Các lỗ đen ăn các ngôi sao nhỏ tạo ra các máy gia tốc hạt bắn phá Trái đất bằng các tia vũ trụ
— Einstein lại thắng! Quark tuân theo các định luật tương đối, Máy va chạm Hadron Lớn phát hiện ra
Khả năng có một neutrino vũ trụ khiến de Jong phấn khích. "Đây sẽ là lần đầu tiên quan sát thấy một neutrino vũ trụ, và đây sẽ là lần đầu tiên xác nhận về điểm cắt GZK bên ngoài các tia vũ trụ tích điện — và ngay cả ở đó, bằng chứng vẫn còn mơ hồ", ông nói.
Hơn nữa, năng lượng của neutrino vũ trụ có thể tiết lộ các đặc tính của các tia vũ trụ năng lượng cực cao này. Tham số này là chìa khóa để khám phá xem các hiện tượng như vậy chỉ được tạo thành từ proton hay các hạt nhân nguyên tử nặng hơn — và do đó, điều gì tạo ra chúng. Mặc dù KM3-230213A là neutrino năng lượng cực cao duy nhất được KM3NeT phát hiện, nhưng chắc chắn sẽ có nhiều neutrino khác đi qua Trái Đất mà không bị phát hiện. Liệu việc phát hiện sớm KM3NeT bằng ARCA có báo hiệu tốt cho việc cuối cùng có thể phát hiện ra những neutrino như vậy thường xuyên hơn không?
"Chúng tôi chắc chắn hy vọng là như vậy!" de Jong nói. "Nhưng thực tế là, các thí nghiệm khác như IceCube đã thu thập dữ liệu trong thời gian dài hơn và chưa quan sát thấy sự kiện như vậy, vì vậy chúng tôi có thể chỉ đơn giản là may mắn."
Khám phá này đã được mô tả trong một bài báo được công bố vào ngày 12 tháng 2 trên tạp chí Thiên nhiên.
Phần sau mà chúng ta sẽ sớm tìm hiểu, có thể rất lớn. Hơn nữa, máy dò xác định được hạt này thậm chí còn chưa được chế tạo hoàn chỉnh — một khi lắp ráp xong, ai biết nó có thể làm được gì. "Chúng tôi rất vui mừng khi quan sát được sự kiện này và chúng tôi rất muốn biết thêm", người phát ngôn của KM3NeT, Paul de Jong thuộc Đại học Amsterdam, chia sẻ với Space.com
Để biết thêm thông tin, neutrino đã được phát hiện vào ngày 13 tháng 2 năm 2023 bởi KM3NeT do Liên minh Châu Âu tài trợ, Kính viễn vọng Neutrino Kilômét Khối. Neutrino là các hạt ma vì chúng có khối lượng rất nhỏ và hiếm khi tương tác với các dạng vật chất khác, khiến chúng rất khó phát hiện. Hàng nghìn tỷ neutrino đang đi qua cơ thể bạn mỗi giây, nhưng bạn không thể biết được. Các nhà khoa học phải kiên nhẫn để phát hiện ra dù chỉ một neutrino.
Các máy dò neutrino hiện đại được đặt trong nước, và đặc biệt là trong bóng tối. Đôi khi nước đó được giữ trong một bể chứa, như trường hợp của Đài quan sát Neutrino Sudbury ở Canada, cũng như với Super-Kamiokande ở Nhật Bản. Những lần khác, nước đó bị đóng băng trong lòng đất, như trường hợp của Đài quan sát Neutrino IceCube ở Nam Cực. Nhưng cũng có thể nhúng các máy dò neutrino xuống biển, như trường hợp của KM3NeT, sâu tới 2,17 dặm (3,5 km) dưới mực nước biển.
Lý do nước quan trọng như vậy là thỉnh thoảng, một neutrino sẽ tương tác với một phân tử nước. Năng lượng liên quan có thể lớn đến mức vụ va chạm làm vỡ phân tử nước thành một nhóm các hạt nhân và hạt con, cụ thể là muon. Các muon di chuyển nhanh, gần như nhanh như ánh sáng trong chân không, và chắc chắn là nhanh hơn ánh sáng khi đi qua nước — chiết suất của nước làm chậm ánh sáng xuống khoảng 738.188.976 feet mỗi giây (225.000.000 mét mỗi giây) so với 983.571.056 feet mỗi giây (299.792.458 mét mỗi giây) trong chân không. Vì các muon di chuyển nhanh hơn ánh sáng trong nước, chúng phát ra tương đương với tiếng nổ siêu thanh dưới dạng một tia sáng. Ánh sáng này được gọi là bức xạ Cherenkov.
KM3NeT bao gồm hai máy dò. Máy dò đầu tiên, được gọi là ORCA, nằm sâu 8.038 feet (2.450 mét) ngoài khơi bờ biển nước Pháp và được thiết kế để nghiên cứu cách neutrino dao động giữa các loại neutrino khác nhau. Máy dò còn lại, hay còn gọi là máy dò phát hiện ra neutrino năng lượng mới — được phân loại là KM3-230213A — được gọi là ARCA và nằm ngoài khơi bờ biển Sicily.
Cả ARCA và ORCA vẫn đang trong quá trình xây dựng. Khi hoàn thành, ARCA sẽ có 230 đường phát hiện thẳng đứng hướng xuống biển. Mỗi đường sẽ được lót bằng 18 mô-đun quang học chứa 31 ống nhân quang có thể phát hiện các tia bức xạ Cherenkov trong bóng tối ở độ sâu đó. Vào thời điểm ARCA phát hiện ra KM3-230213A, chỉ có 21 đường phát hiện của nó đang hoạt động.
Muon mà ARCA phát hiện có năng lượng là 120 PeV (1.000 nghìn tỷ hoặc một nghìn tỷ electronvolt), ngụ ý rằng neutrino tạo ra nó phải có năng lượng phá kỷ lục là 220 PeV. Năng lượng này mạnh hơn 100 nghìn tỷ lần so với photon ánh sáng khả kiến và mạnh hơn 30 lần so với neutrino từng giữ kỷ lục năng lượng trước đó.
Muon có thể di chuyển vài dặm qua biển trước khi bị hấp thụ và KM3NeT phát hiện ra muon di chuyển theo chiều ngang thay vì thẳng xuống đáy biển.
"Hướng ngang của muon rất quan trọng", de Jong cho biết.
Muon cũng có thể được hình thành trong quá trình phá vỡ tia vũ trụ, trong đó một tia vũ trụ đi vào bầu khí quyển của Trái đất và va chạm với một phân tử hoặc nguyên tử, đập vỡ nó thành một trận mưa các hạt hạ nguyên tử. Muon được hình thành theo cách này có thể chạm tới bề mặt hoặc đi vào đại dương trong khi di chuyển thẳng xuống — không theo chiều ngang. Để di chuyển theo chiều ngang, muon phải "được tạo ra gần máy dò và kịch bản thực tế duy nhất là nó được tạo ra bởi một neutrino năng lượng cao", de Jong cho biết.
Một neutrino 220 PeV là chưa từng có. Không có môi trường hoặc vật thể nào được biết đến trong thiên hà Milky Way của chúng ta có thể tạo ra một neutrino có nhiều năng lượng như vậy. Điều đó có nghĩa là nguồn gốc của nó phải là ngoài thiên hà, có lẽ được tạo ra trong sự dữ dội của một ngôi sao phát nổ và tạo ra một vụ nổ tia gamma, hoặc một hố đen siêu lớn xé toạc một ngôi sao hoặc đám mây khí bằng lực thủy triều hấp dẫn khổng lồ của nó. Vì neutrino không bị từ trường hoặc trọng lực làm lệch hướng, nên hướng di chuyển của chúng dẫn ngược về nguồn gốc của chúng.
"Hướng của muon gần giống hệt với hướng của neutrino ban đầu, vì vậy chúng ta có thể chơi trò chỉ hướng nó trở lại nguồn gốc vũ trụ của nó", de Jong nói.
Nguồn gốc đó nằm ở đâu đó theo hướng của chòm sao Orion, Thợ săn. Tuy nhiên, trong khi có nhiều thiên hà hoạt động với các lỗ đen siêu lớn trong khu vực đó, không có thiên hà nào trong số chúng biểu hiện hoạt động tại thời điểm đó có thể giải thích được neutrino, cũng không có vụ nổ tia gamma nào được phát hiện từ hướng đó vào thời điểm đó.
Nhưng một khả năng thú vị khác là KM3-230213A là neutrino "có nguồn gốc vũ trụ" đầu tiên được phát hiện, được tạo ra khi một tia vũ trụ năng lượng cực cao đập vào một photon thuộc nền vi sóng vũ trụ, đây là ánh sáng còn sót lại được giải phóng 379.000 năm sau Vụ nổ lớn.
Cần một tia vũ trụ cực kỳ năng lượng mới có thể tạo ra một neutrino như KM3-230213A. Các tia vũ trụ có năng lượng vượt quá 100.000 PeV đã được phát hiện bởi Đài quan sát Pierre Auger ở Argentina. Nguồn gốc của chúng vẫn chưa chắc chắn, nhưng theo lý thuyết, mỗi lần một tia vũ trụ như vậy gặp một photon CMB, vụ va chạm có thể tạo ra các neutrino có năng lượng như KM3-230213A.
Năng lượng tia vũ trụ càng lớn thì tiết diện tương tác của nó càng lớn, nghĩa là nó có nhiều khả năng tương tác với các photon CMB. Các tương tác liên tục giữa các tia vũ trụ và photon CMB làm chậm tia vũ trụ, hạn chế động năng của chúng. Đây được gọi là giới hạn Greisen–Zatsepin–Kuzmin (GZK).
Các bài viết liên quan:
— Các nhà khoa học phát hiện ra hạt ma có năng lượng cao nhất từng được nhìn thấy — nó đến từ đâu?
— Các lỗ đen ăn các ngôi sao nhỏ tạo ra các máy gia tốc hạt bắn phá Trái đất bằng các tia vũ trụ
— Einstein lại thắng! Quark tuân theo các định luật tương đối, Máy va chạm Hadron Lớn phát hiện ra
Khả năng có một neutrino vũ trụ khiến de Jong phấn khích. "Đây sẽ là lần đầu tiên quan sát thấy một neutrino vũ trụ, và đây sẽ là lần đầu tiên xác nhận về điểm cắt GZK bên ngoài các tia vũ trụ tích điện — và ngay cả ở đó, bằng chứng vẫn còn mơ hồ", ông nói.
Hơn nữa, năng lượng của neutrino vũ trụ có thể tiết lộ các đặc tính của các tia vũ trụ năng lượng cực cao này. Tham số này là chìa khóa để khám phá xem các hiện tượng như vậy chỉ được tạo thành từ proton hay các hạt nhân nguyên tử nặng hơn — và do đó, điều gì tạo ra chúng. Mặc dù KM3-230213A là neutrino năng lượng cực cao duy nhất được KM3NeT phát hiện, nhưng chắc chắn sẽ có nhiều neutrino khác đi qua Trái Đất mà không bị phát hiện. Liệu việc phát hiện sớm KM3NeT bằng ARCA có báo hiệu tốt cho việc cuối cùng có thể phát hiện ra những neutrino như vậy thường xuyên hơn không?
"Chúng tôi chắc chắn hy vọng là như vậy!" de Jong nói. "Nhưng thực tế là, các thí nghiệm khác như IceCube đã thu thập dữ liệu trong thời gian dài hơn và chưa quan sát thấy sự kiện như vậy, vì vậy chúng tôi có thể chỉ đơn giản là may mắn."
Khám phá này đã được mô tả trong một bài báo được công bố vào ngày 12 tháng 2 trên tạp chí Thiên nhiên.
