Neutrino có lẽ là khó hiểu nhất trong số các hạt được biết đến. Họ chỉ đơn giản là bỏ qua tất cả các quy tắc đã biết về cách các hạt phải hành xử. Họ chế giễu các máy dò ưa thích của chúng tôi. Giống như mèo vũ trụ, chúng chạy khắp vũ trụ mà không cần lo lắng hay quan tâm, thỉnh thoảng tương tác với phần còn lại của chúng ta, nhưng thực sự chỉ khi chúng cảm thấy như vậy, điều đó thực sự không thường xuyên như vậy.
Bực bội nhất trong tất cả, họ đeo mặt nạ và không bao giờ nhìn giống hai lần.
Nhưng một thí nghiệm mới có thể đưa chúng ta đến một bước gần hơn để xé toạc những chiếc mặt nạ đó. Tiết lộ danh tính neutrino thực sự có thể giúp trả lời các câu hỏi lâu đời, như liệu neutrino có phải là đối tác phản vật chất của riêng họ hay không, và thậm chí có thể giúp hợp nhất các lực lượng tự nhiên thành một lý thuyết gắn kết.
Một vấn đề lớn
Neutrino thật kỳ lạ. Có ba loại: neutrino electron, neutrino muon và neutrino tau. (Ngoài ra còn có các phiên bản phản hạt của ba loại đó, nhưng đó không phải là một phần lớn của câu chuyện này.) Chúng được đặt tên như vậy bởi vì ba loại này kết hợp với ba loại hạt khác nhau. Neutrino electron tham gia các tương tác liên quan đến điện tử. Muon neutrino được ghép đôi với muon. Không có điểm sẽ được trao cho việc đoán những gì neutrino tau tương tác với.
Cho đến nay, điều đó không có gì lạ cả. Đây là phần lạ.
Đối với các hạt không phải neutrino - như electron, muon và hạt tau - những gì bạn thấy là những gì bạn nhận được. Những hạt đó hoàn toàn giống nhau ngoại trừ khối lượng của chúng. Nếu bạn phát hiện ra một hạt có khối lượng của một electron, nó sẽ hành xử giống hệt như một electron sẽ hành xử, và điều tương tự cũng xảy ra với muon và tau. Hơn nữa, một khi bạn phát hiện ra một điện tử, nó sẽ luôn là một điện tử. Không hơn không kém. Tương tự cho muon và tau.
Nhưng điều tương tự không xảy ra với anh em họ của họ, electron, muon và tau neutrino.
Những gì chúng ta gọi, nói, "tau neutrino" không phải luôn luôn là neutrino tau. Nó có thể thay đổi danh tính của nó. Nó có thể trở thành, midflight, một electron hoặc muon neutrino.
Hiện tượng kỳ lạ này mà về cơ bản không ai mong đợi được gọi là dao động neutrino. Điều đó có nghĩa là, trong số những thứ khác, bạn có thể tạo ra một neutrino electron và gửi nó cho người bạn thân nhất của bạn như một món quà. Nhưng vào thời điểm họ nhận được nó, họ có thể thất vọng khi tìm thấy một neutrino tau thay thế.
Trò chơi bập bênh
Vì lý do kỹ thuật, dao động neutrino chỉ hoạt động nếu có ba neutrino với ba khối lượng khác nhau. Nhưng neutrino dao động không phải là neutrino có hương vị electron, muon và tau.
Thay vào đó, có ba neutrino "thật", mỗi neutrino có khối lượng khác nhau nhưng chưa biết. Một hỗn hợp riêng biệt của các neutrino cơ bản, thực sự này tạo ra từng hương vị neutrino mà chúng ta phát hiện trong các phòng thí nghiệm (electron, muon, tau). Vì vậy, khối lượng đo trong phòng thí nghiệm là một số hỗn hợp của các khối neutrino thực sự đó. Trong khi đó, khối lượng của mỗi neutrino thực sự trong hỗn hợp chi phối tần suất nó biến thành từng hương vị khác nhau.
Công việc của các nhà vật lý bây giờ là giải quyết tất cả các mối quan hệ: khối lượng của các neutrino thực sự đó là gì và làm thế nào để chúng trộn lẫn với nhau để tạo ra ba hương vị?
Vì vậy, các nhà vật lý đang săn lùng để phát hiện ra khối lượng neutrino "thực sự" bằng cách xem xét khi nào và tần suất họ chuyển đổi hương vị. Một lần nữa, biệt ngữ vật lý rất không có ích khi giải thích điều này, vì tên của ba neutrino này chỉ đơn giản là m1, m2 và m3.
Một loạt các thí nghiệm miệt mài đã dạy cho các nhà khoa học một số điều về khối lượng của neutrino thực sự, ít nhất là gián tiếp. Chẳng hạn, chúng ta biết về một số mối quan hệ giữa bình phương của quần chúng. Nhưng chúng ta không biết chính xác khối lượng neutrino thực sự nặng bao nhiêu và chúng ta không biết cái nào nặng hơn.
Nó có thể là m3 là nặng nhất, vượt xa m2 và m1. Điều này được gọi là "trật tự bình thường" bởi vì nó có vẻ khá bình thường - và đó là các nhà vật lý đặt hàng về cơ bản đã đoán được hàng thập kỷ trước. Nhưng dựa trên tình trạng kiến thức hiện tại của chúng tôi, cũng có thể m2 là neutrino nặng nhất, với m1 không xa phía sau và so sánh với m3. Kịch bản này được gọi là "thứ tự đảo ngược", vì nó có nghĩa là chúng tôi đã đoán sai thứ tự ban đầu.
Tất nhiên, có những trại của các nhà lý thuyết vỗ về từng tình huống này là đúng. Các lý thuyết cố gắng thống nhất tất cả (hoặc ít nhất là) các lực tự nhiên dưới một mái nhà thường kêu gọi trật tự khối lượng neutrino bình thường. Mặt khác, trật tự khối lượng đảo ngược là cần thiết để neutrino trở thành sinh đôi phản hạt của chính nó. Và nếu đó là sự thật, nó có thể giúp giải thích tại sao có nhiều vật chất hơn phản vật chất trong vũ trụ.
Tập luyện DeepCore
Đó là: bình thường hay đảo ngược? Đó là một trong những câu hỏi lớn nhất nảy sinh từ vài thập kỷ nghiên cứu neutrino vừa qua, và đó chính xác là câu hỏi mà Đài quan sát IceCube Neutrino khổng lồ được thiết kế để trả lời. Nằm ở Nam Cực, đài quan sát bao gồm hàng chục chuỗi máy dò chìm vào Dải băng Nam Cực, với một "DeepCore" trung tâm gồm tám chuỗi máy dò hiệu quả hơn có khả năng nhìn thấy các tương tác năng lượng thấp hơn.
Neutrino hầu như không nói chuyện với vật chất bình thường, vì vậy chúng hoàn toàn có khả năng phun thẳng qua cơ thể Trái đất. Và khi họ làm như vậy, họ sẽ biến thành những hương vị khác nhau. Thỉnh thoảng, họ sẽ tấn công một phân tử trong Khối băng ở Nam Cực gần máy dò IceCube, kích hoạt một cơn mưa tầng của các hạt phát ra ánh sáng màu xanh đáng ngạc nhiên gọi là bức xạ Cherenkov. Đây là ánh sáng mà chuỗi IceCube phát hiện.
Trong một bài báo gần đây được công bố trên tạp chí in trước arXiv, các nhà khoa học IceCube đã sử dụng ba năm dữ liệu DeepCore để đo xem có bao nhiêu loại neutrino đi qua Trái đất. Tiến độ là chậm, tất nhiên, bởi vì neutrino rất khó bắt. Nhưng trong công việc này. các nhà khoa học báo cáo một ưu tiên nhỏ trong dữ liệu cho thứ tự bình thường (điều đó có nghĩa là chúng tôi đã đoán được cách đây hàng thập kỷ). Tuy nhiên, họ chưa tìm thấy kết luận nào.
Đây có phải là tất cả chúng ta sẽ nhận được? Chắc chắn không. IceCube đang chuẩn bị cho một bản nâng cấp lớn, và các thử nghiệm mới như Chính xác nâng cấp thế hệ tiếp theo (PINGU) và Thí nghiệm neutrino sâu dưới lòng đất (DUNE) cũng đang chuẩn bị để giải quyết câu hỏi trung tâm này. Ai biết rằng một câu hỏi đơn giản như vậy về trật tự của khối lượng neutrino sẽ tiết lộ rất nhiều cách thức vũ trụ hoạt động? Thật tệ, đó cũng không phải là một câu hỏi dễ.
Paul M. Sutter là một nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio, máy chủ của "Hỏi một người không gian" và "Đài phát thanh không gian, "và tác giả của"Vị trí của bạn trong vũ trụ."
