Trong nhiều năm nay, một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã ẩn mình sâu bên dưới một ngọn núi ở miền trung Italy, thu thập không mệt mỏi các phép đo nhạy cảm nhất từ mét khối lạnh nhất trong vũ trụ được biết đến. Các nhà khoa học đang tìm kiếm bằng chứng cho thấy các hạt ma quái gọi là neutrino không thể phân biệt được với các đối tác phản vật chất của chúng. Nếu được chứng minh, phát hiện này có thể giải quyết một câu hỏi hóc búa trong vũ trụ đã gây khó khăn cho các nhà vật lý trong nhiều thập kỷ: Tại sao vật chất lại tồn tại?
Từ lâu họ đã biết rằng vật chất có một phản vật chất độc ác được mệnh danh là phản vật chất. Đối với mọi hạt cơ bản trong vũ trụ, tồn tại một phản hạt gần giống với anh chị em của nó, có cùng khối lượng nhưng ngược chiều nhau. Khi một hạt và phản hạt gặp mặt đối mặt, chúng hủy lẫn nhau, tạo ra năng lượng tinh khiết.
"Chúng tôi có sự đối xứng hoàn toàn rõ ràng về kế toán giữa vật chất và phản vật chất", Thomas O'Donnell, giáo sư vật lý tại Đại học Virginia Tech, nói với Live Science. "Mỗi khi bạn tạo ra một mảnh vật chất, bạn cũng tạo ra một mảnh phản vật chất cân bằng và mỗi khi bạn phá hủy một mảnh vật chất, bạn phải phá hủy một mảnh phản vật chất. Nếu điều này là đúng, bạn không bao giờ có thể có thêm một loại. Hơn người kia."
Sự đối xứng này là mâu thuẫn với sự hiểu biết hiện tại của chúng ta về cách vũ trụ bắt đầu. Theo thuyết Big Bang, khi vũ trụ mở rộng từ một điểm kỳ dị vô cùng vào khoảng 13,8 tỷ năm trước, người ta tin rằng một lượng vật chất và phản vật chất tương đương đã tồn tại. Tuy nhiên, khi các nhà thiên văn học nhìn ra vũ trụ ngày nay, vũ trụ được cấu tạo gần như hoàn toàn bằng vật chất mà không có ai sinh đôi xấu xa trong tầm nhìn. Khó khăn hơn, nếu Lý thuyết Big Bang là chính xác, thì chúng ta - vâng, con người - không nên ở đây hôm nay.
"Nếu vật chất và phản vật chất hoàn toàn tuân theo sự đối xứng này, thì khi vũ trụ phát triển, tất cả vật chất và phản vật chất sẽ bị tiêu diệt thành photon và sẽ không còn vấn đề gì đối với các ngôi sao, hành tinh hay thậm chí là tế bào người. Chúng ta sẽ không tồn tại!" O'Donnell nói. "Câu hỏi lớn sau đó là: 'Có phải kế hoạch kế toán này đã bị phá vỡ đôi khi trong quá trình tiến hóa của vũ trụ?'"
Câu hỏi đó là những gì O'Donnell và các cộng tác viên hy vọng sẽ trả lời. Trong hai năm qua, nhóm của họ đã thu thập và phân tích dữ liệu từ thí nghiệm CUORE (Đài quan sát ngầm về sự kiện hiếm hoi) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso ở Ý, tìm kiếm khẩu súng hút thuốc sẽ đưa bí ẩn vũ trụ này vào phần còn lại.
Những người trung lập nhỏ
CUORE, có nghĩa là "trái tim" trong tiếng Ý, đang tìm kiếm bằng chứng cho thấy các hạt hạ nguyên tử khó nắm bắt được gọi là neutrino là phản hạt của chính chúng, thứ mà các nhà vật lý gọi là hạt Majorana. Neutrino, vượt qua như bóng ma xuyên qua hầu hết các vật chất, cực kỳ khó phát hiện. Trên thực tế, theo NASA, hàng nghìn tỷ neutrino có nguồn gốc từ lò hạt nhân bốc lửa của mặt trời của chúng ta đi qua cơ thể chúng ta mỗi giây.
Thí nghiệm CUORE tìm kiếm chữ ký của Majorana neutrino hủy lẫn nhau trong một quá trình gọi là phân rã beta-neutrinoless double-beta. Trong phân rã đôi beta thông thường, hai neutron bên trong hạt nhân của một nguyên tử đồng thời biến thành hai proton, phát ra một cặp electron và phản neutrino. Sự kiện hạt nhân này, mặc dù cực kỳ hiếm và chỉ xảy ra một lần trong mỗi 100 triệu năm (10 ^ 20) cho một nguyên tử riêng lẻ, đã được quan sát thấy trong cuộc sống thực.
Tuy nhiên, nếu các nhà nghiên cứu là chính xác và neutrino là các hạt Majorana thực sự (chúng là phản hạt của chính chúng), thì hai phản neutrino được tạo ra trong quá trình phân rã có thể tiêu diệt lẫn nhau và tạo ra sự phân rã beta kép. Kết quả? Chỉ là các điện tử, đó là "vật chất thông thường." Nếu quá trình này được chứng minh là đúng, nó có thể chịu trách nhiệm gieo mầm vũ trụ sơ khai bằng vật chất thông thường. Quan sát quá trình này, tuy nhiên, là một câu chuyện khác. Các nhà khoa học ước tính sự phân rã beta kép trung tính (nếu nó tồn tại), có thể diễn ra chỉ một lần trong mỗi 10 triệu năm (10 ^ 25).
"Chế độ neutrinoless là chế độ chúng tôi thực sự muốn thấy, nó sẽ phá vỡ các quy tắc, tạo ra vật chất mà không có phản vật chất", O'Donnell, một thành viên của cộng tác CUORE nói. "Nó sẽ là đầu mối đầu tiên cho một giải pháp thực sự của sự bất đối xứng phản vật chất."
Máy dò CUORE tìm kiếm chữ ký năng lượng, dưới dạng nhiệt, từ các electron được tạo ra trong quá trình phân rã phóng xạ của các nguyên tử Tellurium. Phân rã đôi beta-neutrinoless sẽ để lại một đỉnh độc nhất và có thể phân biệt trong phổ năng lượng của các electron.
"Về cơ bản, CUORE là một trong những nhiệt kế nhạy nhất thế giới", Carlo Bucci, điều phối viên kỹ thuật cho sự hợp tác CUORE, cho biết trong một tuyên bố.
Được lắp ráp trong hơn một thập kỷ, nhạc cụ CUORE là mét khối lạnh nhất trong vũ trụ được biết đến. Nó bao gồm 988 tinh thể hình khối làm từ Tellurium dioxide, được làm lạnh đến 10 milli-kelvin, hoặc âm 460 độ F (âm 273 độ C), chỉ một sợi tóc trên mức vật lý nhiệt độ lạnh nhất sẽ cho phép. Để che chắn thí nghiệm khỏi sự can thiệp của các hạt bên ngoài như tia vũ trụ, máy dò được bọc trong một lớp chì dày rất tinh khiết được phục hồi từ một con tàu đắm La Mã 2.000 năm tuổi.
Bất chấp những thành tựu công nghệ của nhóm, việc tìm kiếm sự kiện neutrinoless đã được chứng minh là không có nhiệm vụ dễ dàng. Các nhà nghiên cứu đã tăng gấp bốn lần dữ liệu thu thập được kể từ kết quả ban đầu của họ vào năm 2017, đại diện cho bộ dữ liệu lớn nhất từng được thu thập bởi một máy dò hạt thuộc loại này. Kết quả mới nhất của họ, được công bố trên cơ sở dữ liệu in sẵn arXiv, cho thấy họ không tìm thấy bằng chứng nào về sự phân rã beta kép trung tính.
Sự hợp tác vẫn được xác định để săn lùng hạt tác nhân kép khó nắm bắt này. Kết quả của họ đã đặt ra một ràng buộc chặt chẽ hơn về khối lượng dự kiến của một neutrino Majorana, mà họ tin rằng nó nhẹ hơn ít nhất 5 triệu lần so với một điện tử. Nhóm nghiên cứu có kế hoạch nâng cấp CUORE sau năm năm đầu tiên, giới thiệu một loại tinh thể mới mà họ hy vọng sẽ cải thiện đáng kể độ nhạy của nó.
"Nếu lịch sử là một dự báo tốt cho tương lai, thì chúng ta có thể khá chắc chắn rằng việc đẩy mạnh công nghệ máy dò sẽ cho phép chúng ta nghiên cứu kỹ lưỡng neutrino với độ sâu ngày càng tăng", O'Donnell nói. "Hy vọng rằng, chúng ta sẽ khám phá ra sự phân rã beta kép trung tính, hoặc có lẽ là thứ gì đó kỳ lạ và bất ngờ hơn."
