Neutrino là hạt cơ bản gần như không có khối lượng, không mang điện, tương tác cực yếu với vật chất — nên nó đi xuyên qua cơ thể người, qua cả Trái Đất, mà hầu như không chạm vào gì. Mỗi giây có cỡ hàng chục nghìn tỉ neutrino từ Mặt Trời đi qua người bạn, ngày cũng như đêm, vì ban đêm chúng xuyên qua Trái Đất từ phía bên kia. Wolfgang Pauli đề xuất hạt này năm 1930; Clyde Cowan và Frederick Reines phát hiện nó năm 1956.
Một hạt sinh ra để cứu định luật bảo toàn năng lượng
Cuối thập niên 1920, các nhà vật lý gặp một chuyện khó chịu với phân rã beta — khi một hạt nhân phóng ra electron. Năng lượng của electron đo được không cố định mà trải ra nhiều mức, như thể một phần năng lượng biến mất. Niels Bohr thậm chí từng tính tới khả năng định luật bảo toàn năng lượng không đúng ở cấp hạt nhân.
Tháng 12/1930, Wolfgang Pauli viết một lá thư gửi hội nghị vật lý ở Tübingen, mở đầu bằng câu nổi tiếng "Thưa các quý bà quý ông phóng xạ". Ông đề xuất một "lối thoát tuyệt vọng": có một hạt trung hoà, rất nhẹ, mang phần năng lượng còn thiếu đi mất mà không máy nào bắt được. Chính Pauli cũng dè dặt: mấy năm đầu ông không đăng ý tưởng này thành bài báo chính thức.
Enrico Fermi đặt tên "neutrino" — tiếng Ý nghĩa là "hạt trung hoà bé nhỏ" — và năm 1934 dựng lý thuyết phân rã beta dựa trên nó. Lý thuyết khớp số liệu, nhưng hạt thì vẫn vô hình.
1956: bắt được hạt ma bên cạnh lò phản ứng
Muốn bắt một hạt hiếm khi tương tác, cần hai thứ: thật nhiều hạt, và một máy dò thật lớn. Clyde Cowan và Frederick Reines đặt máy dò cạnh lò phản ứng hạt nhân ở Savannah River (Nam Carolina, Mỹ) — nơi phát ra dòng phản neutrino cực mạnh. Máy dò gồm các bể nước pha chất cadmi kẹp giữa các bể chất lỏng phát sáng.
Thỉnh thoảng, một phản neutrino va vào proton trong nước, tạo ra một positron và một neutron. Positron gần như lập tức huỷ với electron, phát hai tia gamma; vài micro giây sau, neutron bị cadmi bắt, phát thêm tia gamma. Chính dấu hiệu "hai nhịp" đặc trưng này giúp phân biệt neutrino với nhiễu. Tháng 6/1956, họ đánh điện báo cho Pauli. Gần 40 năm sau, năm 1995, Reines nhận giải Nobel Vật lý (Cowan đã mất năm 1974).
Neutrino nhỏ và "lười" đến mức nào
Mức độ vô hình của neutrino khó tưởng tượng. Một neutrino từ Mặt Trời có thể đi xuyên qua một bức tường chì dày hàng năm ánh sáng mà vẫn có khả năng chưa va vào gì. Trong suốt cuộc đời, cơ thể một người có lẽ chỉ có vài neutrino thật sự va vào một nguyên tử trong mình — dù hàng chục nghìn tỉ hạt đi qua mỗi giây.
Từ đâu ra nhiều neutrino đến vậy?
- Mặt Trời: phản ứng nhiệt hạch biến hydro thành heli trong lõi sinh ra neutrino liên tục. Ánh sáng sinh ra trong lõi mất hàng chục nghìn năm mới chen được ra bề mặt; neutrino thì thoát ra ngay và tới Trái Đất sau khoảng 8 phút.
- Lòng đất: phân rã của urani, thori, kali trong vỏ và lớp phủ Trái Đất tạo ra "địa neutrino".
- Khí quyển: tia vũ trụ va vào không khí tạo ra neutrino.
- Lò phản ứng hạt nhân và máy gia tốc.
- Vụ nổ siêu tân tinh, và nền neutrino còn sót lại từ thuở sơ khai của vũ trụ.
- Cả cơ thể người: kali-40 phóng xạ tự nhiên trong xương thịt cũng phát neutrino.
Bí ẩn neutrino Mặt Trời bị thiếu
Từ cuối thập niên 1960, Raymond Davis Jr. đặt một bể chứa hàng trăm tấn chất tẩy rửa gốc clo (perchloroethylene) sâu khoảng 1,5 km dưới lòng đất, trong mỏ vàng Homestake ở Nam Dakota. Thỉnh thoảng một neutrino Mặt Trời biến một nguyên tử clo thành argon phóng xạ; Davis đếm từng nguyên tử argon — chỉ vài nguyên tử mỗi tuần trong cả bể khổng lồ.
Kết quả: ông chỉ đếm được khoảng một phần ba số neutrino mà lý thuyết về Mặt Trời của John Bahcall dự đoán. Hoặc lý thuyết về Mặt Trời sai, hoặc thí nghiệm sai, hoặc neutrino có điều gì đó chưa ai biết. Bài toán treo suốt khoảng 30 năm.
Lời giải: neutrino đổi dạng trên đường bay
Neutrino có ba "vị": neutrino electron, neutrino muon (phát hiện 1962) và neutrino tau (bắt được trực tiếp năm 2000 tại Fermilab). Máy dò của Davis chỉ nhạy với loại electron. Năm 1998, máy dò Super-Kamiokande ở Nhật — một bể 50.000 tấn nước siêu sạch dưới núi, vách lót hơn 11.000 ống nhân quang — cho thấy neutrino sinh ra trong khí quyển đổi vị trên đường đi. Năm 2001–2002, Đài quan sát Neutrino Sudbury (SNO) ở Canada đo được cả ba vị từ Mặt Trời: tổng số đúng như dự đoán, chỉ là nhiều hạt đã đổi dạng trên đường tới.
Hiện tượng này gọi là dao động neutrino, và nó kéo theo một hệ quả lớn: neutrino phải có khối lượng, dù cực nhỏ. Mô hình Chuẩn của vật lý hạt ban đầu cho neutrino khối lượng bằng không — nên đây là một trong số ít vết nứt đã được xác nhận của mô hình ấy. Davis và Masatoshi Koshiba nhận Nobel năm 2002; Takaaki Kajita và Arthur McDonald nhận Nobel năm 2015.
Các mốc chính
| Năm | Sự kiện |
|---|---|
| 1930 | Pauli đề xuất hạt trung hoà để cứu bảo toàn năng lượng |
| 1934 | Fermi đặt tên neutrino, xây lý thuyết phân rã beta |
| 1956 | Cowan và Reines phát hiện neutrino cạnh lò phản ứng Savannah River |
| Cuối thập niên 1960 | Davis bắt đầu đo neutrino Mặt Trời ở mỏ Homestake, thấy thiếu |
| 23/2/1987 | Các máy dò ở Nhật, Mỹ, Liên Xô bắt được tổng cộng khoảng hai chục neutrino từ siêu tân tinh 1987A, vài giờ trước khi ánh sáng vụ nổ được thấy |
| 1998 | Super-Kamiokande công bố bằng chứng dao động neutrino |
| 2001–2002 | SNO giải xong bài toán neutrino Mặt Trời |
| 2018 | IceCube lần theo một neutrino năng lượng cao về một thiên hà xa (blazar TXS 0506+056) |
Kính thiên văn neutrino: nhìn vũ trụ bằng hạt ma
Chính vì neutrino hầu như không bị gì chặn lại, nó mang thông tin từ những nơi ánh sáng không thoát ra được: lõi Mặt Trời, tâm vụ nổ siêu tân tinh, vùng quanh hố đen siêu nặng. Để bắt chúng, các nhà khoa học dựng những máy dò khổng lồ ở chỗ được che chắn khỏi nhiễu:
- IceCube ở Nam Cực: hơn 5.000 cảm biến quang chôn trong khoảng một kilômét khối băng, sâu 1,5–2,5 km. Khi neutrino hiếm hoi va vào băng, nó tạo ra hạt tích điện phát tia sáng xanh mờ (bức xạ Cherenkov) mà cảm biến ghi lại.
- Super-Kamiokande và thế hệ kế tiếp Hyper-Kamiokande ở Nhật.
- JUNO ở Trung Quốc và DUNE ở Mỹ, đang hoặc sắp vận hành, nhằm đo thứ tự khối lượng của ba loại neutrino.
Còn khối lượng chính xác của neutrino là bao nhiêu? Thí nghiệm KATRIN ở Đức, đo phân rã của tritium, đã đặt giới hạn trên rất nhỏ — dưới một electronvolt, tức nhẹ hơn electron hàng trăm nghìn lần trở lên. Con số chính xác vẫn chưa ai biết.
Góc nhìn hôm nay: vì sao một hạt vô hình đáng quan tâm
Neutrino có thể giúp trả lời một câu hỏi rất lớn: vì sao vũ trụ có vật chất mà không bị phản vật chất triệt tiêu hết? Một số giả thuyết cho rằng sự khác biệt nhỏ giữa neutrino và phản neutrino đóng vai trò ở đây; DUNE và Hyper-Kamiokande sinh ra phần lớn để kiểm tra điều đó.
Câu chuyện neutrino cũng cho một bài học về sự kiên nhẫn: từ ý tưởng của Pauli tới lần bắt đầu tiên mất 26 năm; bài toán neutrino Mặt Trời mất thêm 30 năm. Muốn tìm hiểu thêm:
- Trang phổ thông của Fermilab, IceCube (Đại học Wisconsin–Madison) và Super-Kamiokande có ảnh bên trong máy dò — bể nước lót kín ống nhân quang vàng óng là một trong những hình ảnh khoa học đẹp nhất.
- Tìm đọc về siêu tân tinh 1987A: lần duy nhất tới nay con người bắt được neutrino từ một vụ nổ sao ngoài Hệ Mặt Trời.
- Thử một phép tính vui: ước diện tích lòng bàn tay bạn, nhân với vài chục tỉ neutrino Mặt Trời đi qua mỗi xăng-ti-mét vuông mỗi giây — bạn sẽ thấy vì sao "hàng chục nghìn tỉ" là con số khiêm tốn cho cả cơ thể.
Câu hỏi thường gặp
Neutrino là gì?
Neutrino là một hạt cơ bản không mang điện, khối lượng cực nhỏ, chỉ tương tác qua lực yếu và lực hấp dẫn. Vì gần như không va chạm với vật chất, nó đi xuyên qua người, qua Trái Đất dễ dàng. Có ba loại neutrino và chúng có thể biến đổi qua lại khi bay.
Vì sao neutrino được gọi là hạt ma?
Vì nó vô hình với gần như mọi dụng cụ và đi xuyên qua mọi thứ. Hàng chục nghìn tỉ neutrino đi qua cơ thể mỗi giây mà không để lại dấu vết gì. Muốn bắt được vài hạt, cần máy dò hàng nghìn tấn đặt sâu dưới đất hoặc dưới băng.
Neutrino có nguy hiểm cho sức khoẻ không?
Không. Neutrino gần như không tương tác với cơ thể, nên không gây tổn hại. Trong cả đời người, chỉ vài neutrino thật sự va vào một nguyên tử nào đó trong ta.
Ai phát hiện ra neutrino?
Wolfgang Pauli đề xuất neutrino năm 1930 để giải thích năng lượng bị thiếu trong phân rã beta. Clyde Cowan và Frederick Reines phát hiện nó bằng thực nghiệm năm 1956 cạnh lò phản ứng Savannah River ở Mỹ. Reines nhận giải Nobel năm 1995.
Ban đêm neutrino Mặt Trời có còn đi qua người không?
Có. Ban đêm, neutrino từ Mặt Trời đi xuyên qua cả Trái Đất rồi tới người bạn từ phía dưới. Trái Đất gần như trong suốt với chúng, nên số lượng ngày và đêm gần như không khác.
