Neutrino lấy khối lượng từ đâu? Đó là một bí ẩn, một trong những trở ngại nhất trong Mô hình chuẩn của vật lý hạt. Nhưng một nhóm các nhà vật lý nghĩ rằng họ biết cách giải quyết nó.
Đây là vấn đề: Neutrino thật kỳ lạ. Các hạt siêu mờ, hầu hết trong số chúng có năng lượng thấp và không đáng kể đến mức chúng đi qua toàn bộ hành tinh của chúng ta mà không dừng lại. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học nghĩ rằng họ không có khối lượng nào cả. Trong phiên bản gốc của Mô hình Chuẩn, mô tả vật lý hạt, neutrino hoàn toàn không trọng lượng. Khoảng hai thập kỷ trước, điều đó đã thay đổi. Các nhà vật lý bây giờ biết rằng neutrino có khối lượng, mặc dù với số lượng rất nhỏ. Và họ không chắc chắn chính xác tại sao khối lượng đó là.
Chúng ta có thể giải quyết bí ẩn này, một bài báo mới được xuất bản vào ngày 31 tháng 1 trên tạp chí Phys Review Letters lập luận. Cho đủ thời gian và dữ liệu, neutrino năng lượng cao nhất mà chúng ta có thể phát hiện sẽ giúp mở khóa bí mật cho khối lượng của chúng.
Phát hiện cộng hưởng neutrino
Neutrino đi kèm với lượng năng lượng khác nhau: Hai hạt giống hệt nhau sẽ hành xử rất khác nhau tùy thuộc vào lượng năng lượng mà chúng mang theo.
Hầu hết các neutrino mà chúng ta có thể phát hiện đến từ mặt trời của chúng ta và một số nguồn năng lượng siêu sáng trên Trái đất (như lò phản ứng hạt nhân) và có năng lượng tương đối thấp. Và neutrino năng lượng thấp trượt qua các khối vật chất một cách dễ dàng, mà không va vào bất cứ thứ gì. Nhưng hành tinh của chúng ta cũng bị bắn phá bởi neutrino năng lượng cao hơn nhiều. Và những thứ này có nhiều khả năng đâm vào các hạt khác, giống như một chiếc xe đầu kéo đang gào thét trên đường cao tốc ở làn đường đi qua.
Quay trở lại năm 2012, một máy dò hạt đã xuất hiện trực tuyến ở Nam Cực được thiết kế để phát hiện những neutrino năng lượng cao hơn đó. Nhưng máy dò, tên là IceCube, không thể cảm nhận chúng trực tiếp. Thay vào đó, nó tìm kiếm hậu quả của các vụ va chạm neutrino năng lượng cao với các phân tử nước trong băng xung quanh - các vụ va chạm tạo ra các vụ nổ của các loại hạt khác mà IceCube có thể phát hiện. Thông thường những vụ nổ là lộn xộn, tạo ra nhiều loại hạt. Nhưng đôi khi chúng sạch sẽ khác thường - kết quả của một quá trình gọi là cộng hưởng, đồng tác giả nghiên cứu Bhupal Dev, một nhà vật lý tại Đại học Washington ở St. Louis cho biết.
Khi một neutrino đâm vào một hạt khác, cụ thể là một electron, đôi khi nó sẽ trải qua một quá trình gọi là cộng hưởng Glashow, Dev nói với Live Science Sự cộng hưởng đó nghiền hai hạt lại với nhau và biến chúng thành một thứ mới: boson W. Lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1959, cộng hưởng Glashow đòi hỏi năng lượng rất cao và một ví dụ duy nhất có thể đã xuất hiện ở IceCube vào năm 2018, theo một cuộc nói chuyện năm 2018 tại một hội nghị neutrino.
Nhưng theo Dev và các đồng tác giả, có thể có những loại cộng hưởng khác ngoài kia. Một trong những lý thuyết phổ biến hơn về cách neutrino có được khối lượng của chúng được gọi là "mô hình Zee". Và theo mô hình Zee, sẽ có một loại cộng hưởng khác như Glashow, tạo ra một hạt mới khác, được gọi là "vụ nổ Zee", các nhà nghiên cứu viết trong nghiên cứu mới. Và sự cộng hưởng đó sẽ nằm trong khả năng phát hiện của IceCube.
Nếu một vụ nổ Zee được phát hiện, nó sẽ dẫn đến một bản cập nhật triệt để của Mô hình Chuẩn, thay đổi hoàn toàn cách các nhà vật lý nhìn thấy neutrino, Dev nói.
Mô hình Zee sẽ đi từ lý thuyết đến khoa học vững chắc và mô hình neutrino hiện có sẽ bị loại bỏ.
Nhưng IceCube chỉ nhạy cảm với một số năng lượng neutrino nhất định và các điều kiện tạo ra vụ nổ Zee nằm ở rìa ngoài của phạm vi đó. Theo thời gian, một sự cố như vậy có thể sẽ được IceCube phát hiện vào một thời điểm nào đó trong 30 năm tới.
Nhưng may mắn thay, các bản cập nhật cho IceCube đang đến, các nhà nghiên cứu lưu ý. Khi máy dò được nâng cấp lên IceCube-Gen 2 lớn hơn và nhạy hơn nhiều (không rõ chính xác khi nào điều này sẽ xảy ra), thiết bị nhạy cảm hơn sẽ có thể nhận được vụ nổ Zee chỉ trong ba năm - nếu vụ nổ Zee thực sự xảy ra ngoài đó.
Và nếu Zee bùng nổ không ở ngoài đó, và mô hình Zee sai, bí ẩn về khối lượng neutrino sẽ chỉ trở nên sâu hơn.
