Neutrino thực sự là những hạt cơ bản, hầu như không có khối lượng, trung tính và là một trong những khối xây dựng cơ bản của Vũ trụ của chúng ta.
Tuy nhiên, neutrino phá vỡ các quy tắc. Và hơn thế nữa, chúng có thể giúp giải thích tại sao Vũ trụ không biến mất trong một tia sáng sau Vụ nổ lớn.
Neutrino có ba loại khác nhau: tau, muon và neutrino electron.
Vào những năm 1960, các nhà vật lý lý thuyết đã viết cuốn sách quy tắc về tương tác hạt – được gọi là ‘mô hình chuẩn’ – vốn rất vững chắc trong hơn 50 năm nay.
Tiến sĩ Elena Gramellini là thành viên Lederman tại Fermilab với lĩnh vực nghiên cứu là vật lý hạt thực nghiệm và máy dò neutrino.
Chúng tôi đã nói chuyện với Tiến sĩ Gramellini để tìm hiểu thêm về những khối xây dựng vũ trụ này và những gì chúng có thể cho chúng ta biết về Vũ trụ sơ khai.
Chúng được giả định là không có khối lượng, tuy nhiên chúng ta có bằng chứng thực nghiệm rằng chúng mang một khối lượng rất nhỏ, nhờ vào việc quan sát ‘dao động neutrino’, một hiện tượng làm cho neutrino thay đổi hương vị, có thể nói như vậy, trong quá trình lan truyền của chúng.
Ví dụ, hầu hết neutrino từ Mặt trời là neutrino electron, nhưng khoảng hai phần ba chuyển thành một trong hai loại còn lại khi chúng đến Trái đất.
Hành vi của chúng có thể giúp giải thích tại sao Vũ trụ không đơn giản biến mất trong một tia sáng ngay sau Vụ nổ lớn.
Neutrino có thể giúp trả lời vấn đề bất đối xứng vật chất-phản vật chất. Chúng ta biết rằng phản vật chất tồn tại, nhưng chúng ta đang sống trong một Vũ trụ được tạo thành từ vật chất một cách áp đảo.
Điều này thật kỳ lạ vì không có gì khiến vật chất trở nên đặc biệt so với phản vật chất, xét về các tương tác cơ bản.
Lẽ ra chúng phải được tạo ra thành những phần bằng nhau trong Vũ trụ sơ khai.
Chắc hẳn phải có một cơ chế mà cứ một tỷ hạt phản vật chất thì có một tỷ cộng một hạt vật chất được tạo ra – một sự vi phạm tính đối xứng giữa vật chất và phản vật chất.
Chúng ta biết các thành phần cơ bản của proton, quark, chịu trách nhiệm một phần, nhưng không đủ để giải thích sự khác biệt quá lớn giữa vật chất và phản vật chất mà chúng ta thấy.
Bằng cách nghiên cứu các kiểu dao động của neutrino, chúng ta có thể hiểu cách neutrino góp phần vào sự vi phạm này.
Các thí nghiệm chẳng hạn như chương trình Neutrino Đường cơ sở Ngắn sẽ cho chúng ta biết liệu một loại neutrino ‘ẩn’ thứ tư có tồn tại hay không.
Các thí nghiệm trong tương lai – chẳng hạn như thí nghiệm hàng đầu quốc tế tiếp theo, DUNE (Thí nghiệm neutrino dưới lòng đất sâu) của Fermilab mà tôi đang thực hiện – sẽ có thể làm sáng tỏ sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất trong Vũ trụ.
Những thí nghiệm này dựa trên neutrino máy gia tốc.
Tại Fermilab, chúng tôi tạo ra các chùm neutrino và xây dựng các máy dò dọc theo đường đi của chúng để ghi lại các tương tác ở các khoảng cách khác nhau tính từ điểm gốc.
Bằng cách đếm số lần tương tác ở các khoảng cách khác nhau, chúng tôi đo được mô hình dao động.
Vâng, việc đếm các tương tác neutrino khá phức tạp! Neutrino là trung tính, có nghĩa là chúng ta chỉ có thể nghiên cứu chúng nếu chúng tương tác với nhau.
Mặc dù chúng là hạt có khối lượng lớn dồi dào nhất trong Vũ trụ, nhưng xác suất tương tác của chúng là vô cùng nhỏ.
Vì vậy, chúng tôi cần xây dựng các máy dò khổng lồ để ghi lại số lượng tương tác có ý nghĩa.
Tôi đang phát triển Buồng chiếu thời gian Argon lỏng (LArTPC) với hệ thống thu thập ánh sáng mạnh mẽ.
Nếu được chọn, công nghệ này sẽ giúp chúng tôi đạt được các mục tiêu của DUNE nhanh hơn, nhưng chủ yếu chúng tôi kỳ vọng công nghệ này sẽ nâng cao hiểu biết của chúng tôi ở mức năng lượng thấp.
Điều này sẽ mở khóa tiềm năng của DUNE trong việc nhìn thấy neutrino từ Mặt trời và siêu tân tinh, cũng như nhận biết hiệu quả các sự kiện phân rã proton – một quan sát được thèm muốn từ lâu nhưng chưa bao giờ được quan sát.
Đó là một nỗ lực hợp tác. Chúng tôi hiện đang làm việc trên các thiết kế chứng minh nguyên tắc để đảm bảo khả năng tồn tại của các cảm biến mới của LArTPC và đặc trưng cho hiệu suất của chúng.
Sau đó, chúng tôi sẽ chuyển sang các nguyên mẫu quy mô trung bình nơi chúng tôi sẽ ghi lại các tương tác neutrino thực sự. Điều này sẽ cho phép chúng tôi đưa công nghệ của mình vào thử nghiệm trong môi trường vật lý thực tế.
Theo dõi Tiến sĩ Gramellini trên Twitter thông qua tay cầm @SweatPantsScien.
Cuộc phỏng vấn này ban đầu xuất hiện trong số tháng 3 năm 2023 của Tạp chí BBC Sky at Night .