Neutrino là một trong những hạt cơ bản tạo nên Vũ trụ. So với các loại hạt khác, chúng có khối lượng rất nhỏ, không có điện tích và chỉ tương tác với các hạt khác thông qua lực hạt nhân và lực hấp dẫn yếu. Do đó, việc tìm kiếm bằng chứng về sự tương tác của người thừa kế là vô cùng khó khăn, đòi hỏi các công cụ khổng lồ nằm sâu dưới lòng đất để bảo vệ họ khỏi mọi sự can thiệp.
Tuy nhiên, bằng cách sử dụng Nguồn neutron Spallation (SNS), một cơ sở nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) - một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế gần đây đã thực hiện một khám phá lịch sử về neutrino bằng một phương pháp hoàn toàn khác. Là một phần của thí nghiệm COHERENT, những kết quả này xác nhận một dự đoán được đưa ra 43 năm trước và đưa ra những khả năng mới cho nghiên cứu neutrino.
Nghiên cứu mô tả chi tiết phát hiện của họ, có tiêu đề Quan sát về sự phân tán neutrino-hạt nhân đàn hồi mạch lạc, gần đây đã được công bố trên tạp chí Khoa học. Nghiên cứu được thực hiện như một phần của thí nghiệm COHERENT, sự hợp tác của 80 nhà nghiên cứu từ 19 tổ chức từ hơn 4 quốc gia đã tìm kiếm cái gọi là tán xạ Coherent đàn hồi hạt nhân (CEvNS) trong hơn một năm.
Trong việc tìm kiếm bằng chứng về hành vi này, COHERENT về cơ bản đã làm nên lịch sử. Như Jason Newby, một nhà vật lý ORNL và điều phối viên kỹ thuật cho COHERENT, đã nói trong một thông cáo báo chí ORNL:
Thí nghiệm vật lý hạt có một không hai tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge là người đầu tiên đo được sự tán xạ kết hợp của neutrino năng lượng thấp ra khỏi hạt nhân.
Để phá vỡ tất cả, Mô hình chuẩn của vật lý hạt chỉ ra rằng neutrino là lepton, một hạt tương tác với vật chất khác rất yếu. Chúng được tạo ra thông qua sự phân rã phóng xạ, các phản ứng hạt nhân tạo ra sức mạnh cho các ngôi sao và từ siêu tân tinh. Mô hình vũ trụ học của Big Bang cũng dự đoán rằng neutrino là những hạt có nhiều nhất trong sự tồn tại, vì chúng là sản phẩm phụ của việc tạo ra Vũ trụ.
Như vậy, nghiên cứu của họ đã là một đầu mối chính cho các nhà vật lý lý thuyết và vũ trụ học. Trong các nghiên cứu trước đây, các tương tác neutrino đã được phát hiện bằng cách sử dụng hàng tấn vật liệu đích và sau đó kiểm tra các biến đổi hạt phát sinh từ neutrino đánh vào chúng.
Ví dụ bao gồm Đài thiên văn Super Kamiokande ở Nhật Bản, một cơ sở dưới lòng đất nơi vật liệu mục tiêu là 50.000 tấn nước siêu tinh khiết. Trong trường hợp của Đài quan sát SNOLAB Sud Sudbury Neutrino - nằm trong khu phức hợp mỏ cũ gần Sudbury, Ontario - máy dò neutrino SNO dựa vào nước nặng để phát hiện neutrino trong khi thí nghiệm SNO + sẽ sử dụng máy lọc chất lỏng.
Và Đài quan sát IceCube Neutrino Đài phát hiện neutrino lớn nhất thế giới, đặt tại Trạm Amundsen của Nam Scott Scott ở Nam Cực - dựa vào băng ở Nam Cực để phát hiện các tương tác neutrino. Trong mọi trường hợp, các cơ sở cực kỳ cô lập và dựa vào một thiết bị rất đắt tiền.
Tuy nhiên, thí nghiệm COHERENT nhỏ hơn và kinh tế hơn rất nhiều khi so sánh, chỉ nặng 14,5 kg (32 lbs) và chiếm ít hơn rất nhiều trong không gian. Thí nghiệm được tạo ra để tận dụng hệ thống dựa trên máy gia tốc SNS hiện có, tạo ra các chùm neutron xung mạnh nhất trên thế giới để đập vỡ các nguyên tử thủy ngân bằng các chùm proton.
Quá trình này tạo ra một lượng lớn neutron được sử dụng cho các thí nghiệm khoa học khác nhau. Tuy nhiên, quá trình này cũng tạo ra một lượng neutrino đáng kể dưới dạng sản phẩm phụ. Để tận dụng lợi thế này, nhóm COHERENT đã bắt đầu phát triển một thí nghiệm neutrino được gọi là hẻm neutrino. Nằm trong một hành lang tầng hầm chỉ cách bể thủy ngân 20 mét (45 feet), các bức tường bê tông dày và sỏi cung cấp che chắn tự nhiên.
Hành lang cũng được trang bị các bể chứa nước lớn để ngăn chặn thêm neutrino, tia vũ trụ và các hạt khác. Nhưng không giống như các thí nghiệm khác, các máy dò COHERENT tìm kiếm dấu hiệu của neutrino va vào hạt nhân của các nguyên tử khác. Để làm điều này, nhóm nghiên cứu đã trang bị cho hành lang các máy dò dựa vào tinh thể scintillator Caesium, cũng sử dụng odium để tăng sự nổi bật của tín hiệu ánh sáng do tương tác neutrino gây ra.
Juan Collar, một nhà vật lý từ Đại học Chicago, đã lãnh đạo nhóm thiết kế tạo ra máy dò được sử dụng tại SNS. Như ông đã giải thích, đây là một cách tiếp cận cơ bản của người Viking đã làm mất đi các máy dò lớn hơn và đắt tiền hơn:
Chúng được cho là loại máy dò phóng xạ dành cho người đi bộ nhất hiện có, đã tồn tại được một thế kỷ. Natri iodua pha tạp natri hợp nhất tất cả các tính chất cần thiết để hoạt động như một máy phát neutrino kết hợp cầm tay nhỏ, cầm tay. Rất thường xuyên, ít hơn là nhiều hơn.
Nhờ vào thí nghiệm của họ và sự tinh vi của SNS, các nhà nghiên cứu đã có thể xác định rằng neutrino có khả năng ghép với các quark thông qua trao đổi các boson Z trung tính. Quá trình này, được gọi là tán xạ Coherent đàn hồi trung tính (CEvNS), được dự đoán lần đầu tiên vào năm 1973. Nhưng cho đến nay, không có thí nghiệm hay nhóm nghiên cứu nào có thể xác nhận nó.
Như Jason Newby đã chỉ ra, thí nghiệm đã thành công phần lớn nhờ vào sự tinh tế của cơ sở hiện có. Năng lượng của neutrino SNS gần như được điều chỉnh hoàn hảo cho thí nghiệm này, đủ lớn để tạo ra tín hiệu có thể phát hiện được, nhưng đủ nhỏ để tận dụng điều kiện kết hợp, anh nói. Súng hút thuốc duy nhất của sự tương tác là một lượng nhỏ năng lượng truyền vào một hạt nhân duy nhất.
Dữ liệu mà nó tạo ra cũng sạch hơn so với các thí nghiệm trước đó, vì neutrino (như chùm neutron SNS tạo ra chúng) cũng bị đập. Điều này cho phép tách tín hiệu dễ dàng khỏi tín hiệu nền, điều này mang lại lợi thế hơn so với các nguồn neutrino ở trạng thái ổn định - chẳng hạn như các tín hiệu được tạo ra bởi các lò phản ứng hạt nhân.
Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra ba hương vị của người Hồi giáo neutrino, bao gồm neutrino muon, phản neutrino muon và neutrino electron. Trong khi các neutrino muon nổi lên ngay lập tức, những cái khác được phát hiện vài micrô giây sau đó. Từ đó, nhóm COHERENT không chỉ xác nhận lý thuyết về CEvNS, mà còn cả Mô hình chuẩn của vật lý hạt. Phát hiện của họ cũng có ý nghĩa đối với vật lý thiên văn và vũ trụ học.
Như Kate Scholberg, một nhà vật lý từ Đại học Duke và người phát ngôn của COHERENT, đã giải thích:
Khi một ngôi sao lớn sụp đổ và sau đó phát nổ, neutrino đổ năng lượng lớn vào lớp vỏ sao. Hiểu các nguồn cấp dữ liệu trong quá trình tìm hiểu về cách các sự kiện kịch tính này xảy ra dữ liệu của COHERENT, dữ liệu sẽ giúp giải thích các phép đo tính chất neutrino bằng các thí nghiệm trên toàn thế giới. Chúng ta cũng có thể sử dụng sự tán xạ kết hợp để hiểu rõ hơn về cấu trúc của hạt nhân.
Mặc dù không cần xác nhận thêm về kết quả của họ, các nhà nghiên cứu COHERENT có kế hoạch tiến hành các phép đo bổ sung để quan sát các tương tác neutrino mạch lạc ở các tỷ lệ khác nhau (một chữ ký khác của quá trình). Từ điều này, họ hy vọng sẽ mở rộng kiến thức về bản chất của CEvNS, cũng như các thuộc tính neutrino cơ bản khác - chẳng hạn như từ tính nội tại của chúng.
Phát hiện này chắc chắn rất ấn tượng theo đúng nghĩa của nó, vì nó xác nhận một khía cạnh của cả Mô hình chuẩn của vật lý hạt và vũ trụ học Big Bang. Nhưng thực tế là phương pháp này mang lại kết quả sạch hơn và dựa vào các công cụ nhỏ hơn đáng kể và ít tốn kém hơn so với các thử nghiệm khác - điều đó rất ấn tượng!
Ý nghĩa của nghiên cứu này chắc chắn sẽ rất sâu rộng, và sẽ rất thú vị để xem những khám phá khác mà nó cho phép trong tương lai!
