Neutrino là các hạt hạ nguyên tử khó nắm bắt được tạo ra trong một loạt các quá trình hạt nhân. Tên của họ, có nghĩa là "một người trung lập nhỏ", đề cập đến thực tế là họ không mang điện tích. Trong bốn lực cơ bản trong vũ trụ, neutrino chỉ tương tác với hai lực hấp dẫn và lực yếu, chịu trách nhiệm cho sự phân rã phóng xạ của các nguyên tử. Không có khối lượng gần như không có, chúng lướt qua vũ trụ với tốc độ gần như bằng ánh sáng.
Vô số neutrino xuất hiện trong phân số tồn tại của một giây sau Vụ nổ lớn. Và neutrino mới được tạo ra mọi lúc: trong trái tim hạt nhân của các ngôi sao, trong các máy gia tốc hạt và lò phản ứng nguyên tử trên Trái đất, trong sự sụp đổ của siêu tân tinh và khi các nguyên tố phóng xạ phân rã. Điều này có nghĩa là, trung bình, neutrino gấp 1 tỷ lần so với các proton trong vũ trụ, theo nhà vật lý Karsten Heeger thuộc Đại học Yale ở New Haven, Connecticut.
Bất chấp sự phổ biến của chúng, neutrino phần lớn vẫn là một bí ẩn đối với các nhà vật lý bởi vì các hạt rất khó bắt. Neutrino truyền qua hầu hết các vật chất như thể chúng là những tia sáng đi qua một cửa sổ trong suốt, hiếm khi tương tác với mọi thứ khác trong sự tồn tại. Khoảng 100 tỷ neutrino đang đi qua từng centimet vuông trên cơ thể bạn vào lúc này, mặc dù bạn sẽ không cảm thấy gì.
Khám phá các hạt vô hình
Neutrino lần đầu tiên được đặt ra như là câu trả lời cho một bí ẩn khoa học. Vào cuối thế kỷ 19, các nhà nghiên cứu đã đánh đố một hiện tượng được gọi là phân rã beta, trong đó hạt nhân bên trong một nguyên tử tự phát ra một điện tử. Phân rã Beta dường như vi phạm hai định luật vật lý cơ bản: bảo tồn năng lượng và bảo toàn động lượng. Trong phân rã beta, cấu hình cuối cùng của các hạt dường như có quá ít năng lượng và proton đứng yên thay vì bị đập theo hướng ngược lại của electron. Mãi đến năm 1930, nhà vật lý Wolfgang Pauli mới đề xuất ý tưởng rằng một hạt phụ có thể bay ra khỏi hạt nhân, mang theo năng lượng và động lượng còn thiếu.
"Tôi đã làm một điều khủng khiếp. Tôi đã yêu cầu một hạt không thể phát hiện được", Pauli nói với một người bạn, đề cập đến thực tế rằng neutrino giả thuyết của anh ta rất ma quái đến nỗi nó hầu như không tương tác với bất cứ thứ gì và sẽ không có khối lượng .
Hơn một phần tư thế kỷ sau, các nhà vật lý Clyde Cowan và Frederick Reines đã chế tạo máy dò neutrino và đặt nó bên ngoài lò phản ứng hạt nhân tại nhà máy điện nguyên tử sông Savannah ở Nam Carolina. Thí nghiệm của họ đã tìm được một vài trong số hàng trăm nghìn tỷ neutrino đang bay từ lò phản ứng, và Cowan và Reines tự hào gửi cho Pauli một bức điện tín để thông báo cho anh ta về xác nhận của họ. Reines sẽ tiếp tục giành giải thưởng Nobel Vật lý năm 1995 - đến lúc đó, Cowan đã chết.
Nhưng kể từ đó, neutrino liên tục thách thức các nhà khoa học.
Mặt trời tạo ra số lượng khổng lồ neutrino bắn phá Trái đất. Vào giữa thế kỷ 20, các nhà nghiên cứu đã chế tạo máy dò để tìm kiếm các neutrino này, nhưng các thí nghiệm của họ tiếp tục cho thấy sự khác biệt, chỉ phát hiện khoảng một phần ba số neutrino đã được dự đoán. Có điều gì đó không ổn với các mô hình mặt trời của các nhà thiên văn học, hoặc có điều gì đó kỳ lạ đang diễn ra.
Các nhà vật lý cuối cùng nhận ra rằng neutrino có thể có ba loại hoặc loại khác nhau. Neutrino thông thường được gọi là neutrino electron, nhưng hai hương vị khác cũng tồn tại: neutrino muon và neutrino tau. Khi chúng đi qua khoảng cách giữa mặt trời và hành tinh của chúng ta, neutrino đang dao động giữa ba loại này, đó là lý do tại sao những thí nghiệm ban đầu - vốn chỉ được thiết kế để tìm kiếm một hương vị - giữ mất hai phần ba tổng số của chúng.
Nhưng chỉ những hạt có khối lượng mới có thể trải qua dao động này, mâu thuẫn với những ý tưởng trước đó rằng neutrino là không có khối lượng. Mặc dù các nhà khoa học vẫn chưa biết khối lượng chính xác của cả ba neutrino, nhưng các thí nghiệm đã xác định rằng khối lượng nặng nhất của chúng phải nhỏ hơn ít nhất 0,0000059 lần so với khối lượng của electron.
Quy tắc mới cho neutrino?
Vào năm 2011, các nhà nghiên cứu tại Dự án Dao động với thí nghiệm Thiết bị tạo nhũ tương (OPERA) ở Ý đã gây ra cảm giác trên toàn thế giới khi tuyên bố rằng họ đã phát hiện neutrino di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng - một doanh nghiệp được cho là không thể. Mặc dù được báo cáo rộng rãi trên các phương tiện truyền thông, kết quả đã được chào đón với rất nhiều sự hoài nghi từ cộng đồng khoa học. Chưa đầy một năm sau, các nhà vật lý nhận ra rằng hệ thống dây bị lỗi đã bắt chước một phát hiện nhanh hơn ánh sáng và neutrino quay trở lại vương quốc của các hạt tuân thủ luật pháp.
Nhưng các nhà khoa học vẫn còn nhiều điều để tìm hiểu về neutrino. Gần đây, các nhà nghiên cứu từ Thí nghiệm Mini Booster Neutrino (MiniBooNE) tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia Fermi (Fermilab) gần Chicago đã cung cấp bằng chứng thuyết phục rằng họ đã phát hiện ra một loại neutrino mới, được gọi là neutrino vô trùng. Một phát hiện như vậy chứng thực một sự bất thường trước đó được nhìn thấy tại Máy dò neutrino Liquid Scintillator (LSND), một thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở New Mexico. Các neutrino vô trùng sẽ hỗ trợ tất cả các vật lý đã biết bởi vì chúng không phù hợp với cái được gọi là Mô hình Chuẩn, một khung giải thích hầu hết tất cả các hạt và lực đã biết ngoại trừ trọng lực.
Nếu kết quả mới của MiniBooNE giữ vững, "Điều đó sẽ rất lớn, vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn, sẽ yêu cầu các hạt mới, và một khung phân tích hoàn toàn mới", nhà vật lý hạt Kate Scholberg của Đại học Duke nói với Live Science.
