Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã quyết định trao giải Nobel Vật lý năm 2015 cho hai nhà khoa học Takaaki Kajita (người Nhật Bản) và Arthur B. McDonald (người Canada) cho khám phá về sự “dao động” của hạt neutrino, chứng minh rằng hạt này có khối lượng.
Neutrino là loại hạt nhiều thứ hai trong vũ trụ, chỉ sau photon-hạt ánh sáng. Neutrino có thể được tạo ra bằng nhiều cách, có thể từ một số phân rã phóng xạ hay từ phản ứng hạt nhân ví dụ như ở Mặt Trời và các ngôi sao, trong các lò phản ứng hạt nhân, khi tia vũ trụ tác dụng với các nguyên tử và trong các supernova. Chúng là loại chỉ chịu tác động của tương tác yếu, hầu như không có bất cứ điều gì có thể ngăn cản chúng đi qua. Chúng có thể xuyên qua Trái Đất mà không gặp bất cứ trở ngại nào và có hàng nghìn tỉ neutrino đang xuyên qua cơ thể chúng ta mỗi giây. Có 3 loại neutrino là electron neutrino, muon neutrino và tau neutrino.
Vào giữa thập niên 1960, hai nhà Vật lý người Mỹ là Raymond Davis Jr và John Bahcall đã làm thí nghiệm để bắt giữ và đo lượng neutrino đến từ Mặt Trời. Nhưng số lượng neutrino họ bắt giữ được lại chỉ bằng 1/3 so với dự kiến. Sự thiếu hụt được các nhà thiên văn gọi là “Vấn đề neutrino Mặt Trời” (Solar neutrino problem) và dẫn đến yêu cầu phải thay đổi Mô hình Chuẩn của Vật lý hạt.
Vào cuối thế kỉ XX, đầu thế kỉ XXI, các quan sát về neutrino được tiến hành bởi hai nhóm nghiên cứu một ở máy dò Super-Kamiokande ở Nhật Bản và một ở Đài quan sát Neutrino Sudbury ở Canada. Nhóm nghiên cứu ở Nhật Bản dẫn đầu bởi Takaaki Kajita đã phát hiện rằng các neutrino từ khí quyển đã có sự chuyển đổi giữa hai dạng trên đường đi đến máy dò Super-Kamiokande. Trong khi đó, nhóm nghiên cứu ở Canada dẫn đầu bởi Arthur B. McDonald chứng minh rằng các neutrino từ Mặt Trời không biến mất trên đường đến Trái Đất, thay vào đó chúng bị bắt giữ khi đang ở trong một dạng khác khi đến Đài quan sát Neutrino Sudbury.
Takaaki Kajita và Arthur B. McDonald
Điều này đồng nghĩa với việc vấn đề về neutrino khiến cho các nhà vật lý phải vật lộn hàng chục năm đã được giải quyết. Hai thí nghiệm đã cho chúng ta thấy rằng việc chúng ta chỉ phát hiện được 1/3 số neutrino so với tính toán là bởi vì các neutrino có thể thay đổi tính chất, chuyển thành các dạng khác (trong ba dạng electron-muon-tau), hay còn gọi là sự “dao động” (oscillation), chẳng hạn như muon neutrino có thể trở thành tau neutrino và ngược lại, bởi vậy nên chúng ta không thể phát hiện ra tất cả chúng bằng máy dò ở thời điểm đó.
Việc chuyển đổi thành các dạng khác nhau đòi hỏi neutrino phải có khối lượng. Do đó phát hiện này cũng dẫn đến kết luận là neutrino (trong một thời gian dài vẫn được cho là không có khối lượng) thực tế là cũng có một khối lượng nào đó, cho dù là rất nhỏ. Đối với vật lý hạt, điều này là một khám phá lịch sử. Mô hình chuẩn của Vật lý hạt đã từng rất thành công, vượt qua tất cả những thách thức thử nghiệm trong hơn 20 năm. Tuy nhiên, vì nó đòi hỏi neutrino không có khối lượng, nên các quan sát mới đã rõ ràng cho thấy mô hình chuẩn không thể là lý thuyết hoàn chỉnh về các thành phần cơ bản của vũ trụ.
Minh họa của Đài quan sát Neutrino Sudbury
Máy dò của đài quan sát Super-Kamiokande ở Nhật Bản
Hiện tại thì các thí nghiệm vẫn đang được tiếp tục tiến hành trên toàn thế giới để bắt giữ các neutrino và nghiên cứu những tính chất của chúng. Những khám phá mới về bí mật sâu thẳm nhất của neutrino được cho là sẽ thay đổi hiểu biết của chúng ta về lịch sử, cấu trúc, và số phận tương lai của vũ trụ.
Hoàng Gia Linh
(VACA)
Theo Science Daily, Scientific American, The Guardian và Wikipedia (En)
