Sâu bên dưới một ngọn núi ở Ý, trong một mét khối lạnh nhất của vũ trụ được biết đến, các nhà khoa học đang tìm kiếm bằng chứng cho thấy các hạt ma quái gọi là neutrino đóng vai trò là đối tác phản vật chất của chính họ. Những gì các nhà nghiên cứu tìm thấy có thể giải thích sự mất cân bằng của vật chất và phản vật chất trong vũ trụ.
Cho đến nay, họ đã ra về tay không.
Các kết quả mới nhất trong hai tháng đầu tiên của thí nghiệm CUORE (Đài quan sát ngầm về sự kiện hiếm gặp) ở Gran Sasso, Ý, cho thấy không có gợi ý nào về quá trình chứng minh neutrino, được tạo ra bởi bức xạ vũ trụ, là đối tác phản vật chất của riêng chúng. Điều này có nghĩa là nếu quá trình này xảy ra, nó hiếm khi xảy ra cứ sau 10 năm một lần (10 ^ 25) năm.
Mục tiêu cuối cùng của thí nghiệm này là giải quyết một trong những câu đố lâu dài nhất của vũ trụ, và một trong những gợi ý rằng chúng ta thậm chí không nên ở đây. Câu đố đó tồn tại bởi vì Vụ nổ lớn về mặt lý thuyết - trong đó một điểm kỳ dị nhỏ được cho là đã thổi phồng hơn 13,8 tỷ năm để hình thành vũ trụ - nên đã tạo ra một vũ trụ với 50% vật chất và 50% phản vật chất.
Khi vật chất và phản vật chất gặp nhau, chúng hủy diệt và khiến cho nhau không tồn tại.
Nhưng đó không phải là những gì chúng ta thấy ngày nay. Thay vào đó, vũ trụ của chúng ta chủ yếu là vật chất và các nhà khoa học đang vật lộn để khám phá những gì đã xảy ra với tất cả các phản vật chất.
Đó là nơi neutrino đi vào.
Neutrino là gì?
Neutrino là các hạt cơ bản nhỏ với thực tế không có khối lượng. Mỗi cái nhỏ hơn một nguyên tử, nhưng chúng là một trong những hạt có nhiều nhất trong tự nhiên. Giống như ma, chúng có thể xuyên qua người và tường mà không ai (kể cả neutrino) nhận ra.
Hầu hết các hạt cơ bản có một phản vật chất kỳ lạ, được gọi là phản hạt, có cùng khối lượng với đối tác vật chất bình thường của nó nhưng điện tích trái dấu. Nhưng neutrino hơi kỳ quặc một mình, ở chỗ chúng hầu như không có khối lượng, và chúng không phải trả phí. Vì vậy, các nhà vật lý đã phỏng đoán, họ có thể là phản hạt của riêng họ.
Khi một hạt đóng vai trò là phản hạt của chính nó, nó được gọi là hạt Majorana.
"Các lý thuyết mà hiện tại chúng ta chỉ đơn giản là không cho chúng ta biết liệu neutrino có thuộc loại Majorana đó hay không. Và đó là một điều rất thú vị để tìm kiếm, bởi vì chúng ta đã biết rằng chúng ta đang thiếu một cái gì đó về neutrino", nhà vật lý lý thuyết Sabine Hossenfelder, một thành viên của Viện nghiên cứu nâng cao Frankfurt ở Đức, nói với Live Science. Hossenfelder, người không thuộc CUORE, đang đề cập đến những đặc điểm kỳ lạ không giải thích được của neutrino.
Nếu neutrino là Majorana, thì chúng sẽ có thể chuyển đổi giữa vật chất và phản vật chất. Nếu hầu hết các neutrino biến thành vật chất thông thường khi bắt đầu vũ trụ, các nhà nghiên cứu cho biết, điều này có thể giải thích tại sao vật chất vượt trội hơn phản vật chất ngày nay - và tại sao chúng ta tồn tại.
Thí nghiệm CUORE
Nghiên cứu neutrino trong phòng thí nghiệm điển hình rất khó, bởi vì chúng hiếm khi tương tác với vật chất khác và cực kỳ khó phát hiện - hàng tỷ người đi qua bạn không bị phát hiện mỗi phút. Thật khó để phân biệt chúng với các nguồn phóng xạ khác. Đó là lý do tại sao các nhà vật lý cần phải đi xuống lòng đất - gần một dặm (1,6 km) dưới bề mặt Trái đất - nơi một quả cầu thép khổng lồ bao quanh máy dò neutrino do Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso của Viện Vật lý hạt nhân quốc gia Ý điều hành.
Phòng thí nghiệm này là ngôi nhà của thí nghiệm CUORE, đang tìm kiếm bằng chứng của một quá trình gọi là phân rã beta-neutrinoless - một cách khác để nói neutrino hoạt động như các phản hạt của chính chúng. Trong một quá trình phân rã beta kép bình thường, một hạt nhân phân rã và phát ra hai electron và hai phản neutrino. Tuy nhiên, phân rã beta kép neutrinoless sẽ không phát ra bất kỳ phản neutrino nào, bởi vì các antineutrino này có thể đóng vai trò là phản hạt của riêng chúng và sẽ tiêu diệt lẫn nhau.
Trong nỗ lực "nhìn thấy" quá trình này, các nhà vật lý đã theo dõi năng lượng phát ra (dưới dạng nhiệt) trong quá trình phân rã phóng xạ của một đồng vị của Tellurium. Nếu sự phân rã beta kép trung tính xảy ra, sẽ có một đỉnh ở một mức năng lượng nhất định.
Để phát hiện và đo chính xác năng lượng nhiệt này, các nhà nghiên cứu đã chế tạo ra khối mét lạnh nhất trong vũ trụ được biết đến. Họ so sánh nó với một nhiệt kế khổng lồ với gần 1.000 tinh thể Tellurium dioxide (TeO2) hoạt động ở 10 milli-kelvin (mK), âm 459.652 độ F (âm 273,14 độ C).
Khi các nguyên tử Tellurium phóng xạ phân rã, các máy dò này tìm kiếm đỉnh năng lượng đó.
"Quan sát rằng neutrino là phản hạt của riêng chúng sẽ là một khám phá quan trọng và đòi hỏi chúng ta phải viết lại Mô hình chuẩn của vật lý hạt thường được chấp nhận. Nó sẽ cho chúng ta biết rằng có một cơ chế mới và khác biệt cho vật chất có khối lượng", nhà nghiên cứu Karsten Heeger, giáo sư tại Đại học Yale, nói với Live Science.
Và ngay cả khi CUORE không thể chỉ ra một cách dứt khoát rằng neutrino là phản hạt của chính nó, công nghệ được sử dụng trong nghiên cứu có thể có những ứng dụng khác, Lindley Winslow, trợ lý giáo sư vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts và một phần của nhóm CUORE nói.
Winslow nói với Live: "Công nghệ làm lạnh CUORE xuống tới 10 mK là công nghệ được sử dụng để làm mát các mạch siêu dẫn cho điện toán lượng tử. Thế hệ máy tính lượng tử tiếp theo có thể sống trong một máy làm lạnh kiểu CUORE. Bạn có thể gọi cho chúng tôi sớm chấp nhận" Khoa học.
