Mỗi giây mỗi ngày, bạn đang bị bắn phá bởi hàng nghìn tỷ trên các tỷ hạt hạ nguyên tử, rơi xuống từ độ sâu của không gian. Chúng thổi qua bạn với sức mạnh của một cơn bão vũ trụ, nổ tung với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Họ đến từ khắp nơi trên bầu trời, vào mọi thời điểm cả ngày lẫn đêm. Chúng xâm nhập từ trường Trái đất và bầu không khí bảo vệ của chúng ta giống như rất nhiều bơ.
Tuy nhiên, tóc trên đỉnh đầu của bạn thậm chí không bị xù.
Chuyện gì đang xảy ra vậy?
Một chút trung tính
Những viên đạn nhỏ bé này được gọi là neutrino, một thuật ngữ được đặt ra vào năm 1934 bởi nhà vật lý lỗi lạc Enrico Fermi. Từ này mơ hồ có nghĩa là "một người trung lập nhỏ", và sự tồn tại của họ được đưa ra giả thuyết để giải thích một phản ứng hạt nhân rất tò mò.
Đôi khi các yếu tố cảm thấy một chút không ổn định. Và nếu họ bị bỏ lại một mình quá lâu, họ sẽ gục ngã và biến mình thành một thứ khác, một thứ gì đó nhẹ hơn một chút trên bảng tuần hoàn. Ngoài ra, một ít điện tử sẽ bật ra. Nhưng vào những năm 1920, các quan sát cẩn thận và chi tiết về những phân rã đó đã tìm thấy những khác biệt nhỏ nhặt, rắc rối. Tổng năng lượng khi bắt đầu quá trình lớn hơn một chút so với năng lượng phát ra. Toán học không cộng dồn. Lạ
Vì vậy, một số nhà vật lý đã tạo ra một hạt hoàn toàn mới từ toàn bộ vải. Một cái gì đó để mang đi năng lượng còn thiếu. Một cái gì đó nhỏ, một cái gì đó nhẹ, một cái gì đó mà không tính phí. Một cái gì đó có thể trượt qua máy dò của họ không được chú ý.
Một chút, trung tính một. Một neutrino.
Phải mất vài thập kỷ nữa để xác nhận sự tồn tại của họ - đó là cách họ trơn tuột và láu cá và lén lút. Nhưng vào năm 1956, neutrino gia nhập gia đình đang phát triển gồm các hạt đã biết, được đo, được xác nhận.
Và sau đó mọi thứ trở nên kỳ lạ.
Hương vị yêu thích
Rắc rối bắt đầu nảy sinh với việc phát hiện ra muon, điều trùng hợp xảy ra cùng thời điểm mà ý tưởng neutrino bắt đầu có được chỗ đứng: những năm 1930. Muon gần như chính xác như một điện tử. Cùng một khoản phí. Cùng quay. Nhưng nó khác biệt theo một cách quan trọng: Nó nặng hơn, nặng hơn 200 lần so với anh chị em của nó, electron.
Muon tham gia vào các loại phản ứng đặc biệt của riêng mình, nhưng không có xu hướng kéo dài. Do số lượng lớn ấn tượng của chúng, chúng rất không ổn định và nhanh chóng phân rã thành các vòi nhỏ hơn ("nhanh chóng" ở đây có nghĩa là trong vòng một hoặc hai giây).
Đó là tất cả tốt và tốt, vậy tại sao muon hình thành câu chuyện neutrino?
Các nhà vật lý nhận thấy rằng các phản ứng phân rã gợi ý sự tồn tại của neutrino luôn có một electron bật ra và không bao giờ là muon. Trong các phản ứng khác, muon sẽ bật ra chứ không phải electron. Để giải thích những phát hiện này, họ đã lý giải rằng neutrino luôn khớp với các electron trong các phản ứng phân rã này (chứ không phải bất kỳ loại neutrino nào khác), trong khi electron, muon phải kết hợp với một loại neutrino chưa được phát hiện. neutrino thân thiện sẽ không thể giải thích các quan sát từ các sự kiện muon.
Và thế là cuộc săn lùng tiếp tục. Và hơn thế nữa. Và hơn thế nữa. Mãi đến năm 1962, các nhà vật lý cuối cùng cũng có được một loại neutrino thứ hai. Ban đầu nó được mệnh danh là "neutretto", nhưng những cái đầu hợp lý hơn đã thắng thế với kế hoạch gọi nó là muon-neutrino, vì nó luôn tự ghép đôi trong các phản ứng với muon.
Con đường của Đạo
Được rồi, vì vậy hai neutrino xác nhận. Có phải thiên nhiên có nhiều hơn trong cửa hàng cho chúng ta? Vào năm 1975, các nhà nghiên cứu tại Trung tâm máy gia tốc tuyến tính Stanford đã mạnh dạn sàng lọc qua hàng núi dữ liệu đơn điệu để tiết lộ sự tồn tại của một anh chị em thậm chí còn nặng hơn với electron nhanh nhẹn và muon khổng lồ: tiếng rít lên, với tốc độ gấp 3.500 lần khối lượng của electron . Đó là một hạt lớn!
Vì vậy, ngay lập tức câu hỏi đã trở thành: Nếu có một họ gồm ba hạt, electron, muon và tau, thì có thể có neutrino thứ ba, để ghép với sinh vật mới phát hiện này không?
Co le không. Có lẽ chỉ có hai neutrino. Có lẽ có bốn. Có lẽ 17. Thiên nhiên chưa đáp ứng chính xác những mong đợi của chúng tôi trước đây, vì vậy không có lý do gì để bắt đầu bây giờ.
Bỏ qua rất nhiều chi tiết khủng khiếp, trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã thuyết phục bản thân bằng cách sử dụng nhiều thí nghiệm và quan sát mà một neutrino thứ ba phải tồn tại. Nhưng mãi đến tận thiên niên kỷ, vào năm 2000, một thí nghiệm được thiết kế đặc biệt tại Fermilab (được gọi một cách hài hước là thí nghiệm DONUT, cho Quan sát trực tiếp về NU Tau, và không, cuối cùng tôi cũng không thực hiện được) đủ nhìn thấy để xác nhận một phát hiện đúng.
Đuổi bắt ma
Vậy, tại sao chúng ta quan tâm rất nhiều về neutrino? Tại sao chúng ta đã theo đuổi họ trong hơn 70 năm, từ trước Thế chiến II đến thời kỳ hiện đại? Tại sao các thế hệ các nhà khoa học đã bị mê hoặc bởi những người nhỏ bé, trung lập này?
Lý do là neutrino tiếp tục sống ngoài mong đợi của chúng tôi. Trong một thời gian dài, chúng tôi thậm chí không chắc chúng tồn tại. Trong một thời gian dài, chúng tôi đã tin rằng họ hoàn toàn không có khối lượng, cho đến khi các thí nghiệm khó chịu phát hiện ra rằng họ phải có khối lượng. Chính xác "bao nhiêu" vẫn là một vấn đề hiện đại. Và neutrino có thói quen khó chịu này khi thay đổi tính cách khi họ đi du lịch. Đúng vậy, khi một neutrino di chuyển trong chuyến bay, nó có thể chuyển đổi mặt nạ giữa ba hương vị.
Thậm chí có thể vẫn còn một neutrino bổ sung ngoài kia không tham gia vào bất kỳ tương tác thông thường nào - thứ gọi là neutrino vô trùng, mà các nhà vật lý đang săn lùng ráo riết.
Nói cách khác, neutrino liên tục thách thức mọi thứ chúng ta biết về vật lý. Và nếu có một thứ chúng ta cần, cả trong quá khứ và tương lai, đó là một thử thách tốt.
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 gianvà tác giả của Vị trí của bạn trong vũ trụ.
