Neutrino là một hạt cơ bản rất giống electron, nhưng không có điện tích. Nó có khối lượng rất nhỏ, thậm chí có thể bằng không. Tốc độ của neutrino cũng phụ thuộc vào khối lượng. Chênh lệch thời gian đến của hạt và ánh sáng là 0,0006% (± 0,0012%). Năm 2011, trong thí nghiệm OPERA, người ta thấy rằng tốc độ của neutrino vượt quá tốc độ ánh sáng, nhưng kinh nghiệm độc lập không xác nhận điều này.
Hạt Elusive
Đây là một trong những hạt phổ biến nhất trong vũ trụ. Vì nó tương tác rất ít với vật chất nên rất khó phát hiện. Electron và neutrino không tham gia vào các tương tác hạt nhân mạnh, nhưng tham gia bình đẳng vào các tương tác yếu. Các hạt có các đặc tính này được gọi là lepton. Ngoài electron (và phản hạt của nó, positron), các lepton tích điện bao gồm muon (khối lượng 200 electron), tau (khối lượng 3500 electron) và phản hạt của chúng. Chúng được gọi như vậy: electron-, muon- và tau-neutrino. Mỗi chúng đều có một thành phần phản vật chất được gọi là phản neutrino.
Muon và tau, giống như một electron, có các hạt đi cùng chúng. Đây là các hạt neutrino muon và tau. Ba loại hạt này khác xa nhau. Ví dụ, khi neutrino muon tương tác với một mục tiêu, chúng luôn tạo ra muon, không bao giờ là tau hoặc electron. Trong tương tác của các hạt, mặc dù các electron và electron-neutrino có thể được tạo ra và phá hủy, nhưng tổng của chúng vẫn không thay đổi. Thực tế này dẫn đến việc chia lepton thành ba loại, mỗi loại có một lepton tích điện và một neutrino đi kèm.
Cần có các máy dò cực lớn và cực nhạy để phát hiện hạt này. Thông thường, các hạt neutrino năng lượng thấp sẽ di chuyển trong nhiều năm ánh sáng trước khi tương tác với vật chất. Do đó, tất cả các thí nghiệm trên mặt đất với chúng đều dựa vào việc đo phần nhỏ của chúng tương tác với máy ghi có kích thước hợp lý. Ví dụ, tại Đài quan sát Neutrino Sudbury, chứa 1000 tấn nước nặng, khoảng 1012 neutrino mặt trời mỗi giây đi qua máy dò. Và chỉ có 30 chiếc mỗi ngày được tìm thấy.
Lịch sử khám phá
Wolfgang Pauli lần đầu tiên công nhận sự tồn tại của một hạt vào năm 1930. Một vấn đề nảy sinh vào thời điểm đó vì có vẻ như năng lượng và mômen động lượng không được bảo toàn trong quá trình phân rã beta. Nhưng Pauli lưu ý rằng nếu một hạt neutrino trung hòa không tương tác được phát ra, thì định luật bảo toàn năng lượng sẽ được tuân theo. Nhà vật lý người Ý Enrico Fermi đã phát triển lý thuyết về sự phân rã beta vào năm 1934 và đặt tên cho hạt này.
Bất chấp tất cả các dự đoán, trong 20 năm neutrino không thể được phát hiện bằng thực nghiệm vì tương tác yếu của nó với vật chất. Vì các hạt không mang điệntích điện, chúng không bị ảnh hưởng bởi lực điện từ, và do đó, chúng không gây ra ion hóa vật chất. Ngoài ra, chúng chỉ phản ứng với vật chất thông qua các tương tác yếu với độ mạnh không đáng kể. Do đó, chúng là những hạt hạ nguyên tử có khả năng xâm nhập mạnh nhất, có thể đi qua một số lượng lớn các nguyên tử mà không gây ra bất kỳ phản ứng nào. Chỉ 1 trong số 10 tỷ hạt này, di chuyển xuyên qua vật chất với khoảng cách bằng đường kính Trái đất, phản ứng với một proton hoặc neutron.
Cuối cùng, vào năm 1956, một nhóm các nhà vật lý người Mỹ do Frederick Reines dẫn đầu đã công bố phát hiện ra electron-phản neutrino. Trong các thí nghiệm của cô, phản neutrino phát ra từ lò phản ứng hạt nhân tương tác với proton để tạo thành neutron và positron. Các dấu hiệu năng lượng độc đáo (và hiếm) của các sản phẩm phụ mới nhất này cung cấp bằng chứng cho sự tồn tại của hạt.
Việc phát hiện ra các lepton muon tích điện đã trở thành điểm khởi đầu cho việc xác định loại neutrino thứ hai - muon. Việc xác định chúng được thực hiện vào năm 1962 dựa trên kết quả của một thí nghiệm trong máy gia tốc hạt. Các neutrino muonic năng lượng cao được tạo ra bởi sự phân rã của các meson pi và được gửi đến máy dò theo cách mà phản ứng của chúng với vật chất có thể được nghiên cứu. Mặc dù chúng không phản ứng, giống như các loại hạt khác, người ta nhận thấy rằng trong những trường hợp hiếm hoi khi chúng phản ứng với proton hoặc neutron, muon-neutrino tạo thành muon, nhưng không bao giờ là electron. Năm 1998, các nhà vật lý người Mỹ Leon Lederman, Melvin Schwartz và Jack Steinbergerđã nhận được giải Nobel Vật lý cho việc xác định hạt muon-neutrino.
Vào giữa những năm 1970, vật lý neutrino được bổ sung bằng một loại lepton tích điện khác - tau. Neutrino tau và phản neutrino tau hóa ra được liên kết với lepton tích điện thứ ba này. Năm 2000, các nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia. Enrico Fermi đã báo cáo bằng chứng thực nghiệm đầu tiên về sự tồn tại của loại hạt này.
Đại chúng
Tất cả các loại neutrino đều có khối lượng nhỏ hơn nhiều so với khối lượng của các hạt tích điện của chúng. Ví dụ, các thí nghiệm cho thấy khối lượng electron-neutrino phải nhỏ hơn 0,002% khối lượng electron và tổng khối lượng của ba loại phải nhỏ hơn 0,48 eV. Trong nhiều năm, dường như khối lượng của một hạt bằng không, mặc dù không có bằng chứng lý thuyết thuyết phục tại sao lại như vậy. Sau đó, vào năm 2002, Đài thiên văn Sudbury Neutrino đã cung cấp bằng chứng trực tiếp đầu tiên rằng electron-neutrino phát ra từ phản ứng hạt nhân trong kiểu thay đổi lõi của Mặt trời khi chúng di chuyển qua nó. Những "dao động" như vậy của neutrino là có thể xảy ra nếu một hoặc nhiều loại hạt có khối lượng nhỏ nào đó. Các nghiên cứu của họ về sự tương tác của các tia vũ trụ trong bầu khí quyển của Trái đất cũng chỉ ra sự hiện diện của khối lượng, nhưng cần có các thí nghiệm sâu hơn để xác định nó chính xác hơn.
Nguồn
Nguồn tự nhiên của neutrino là sự phân rã phóng xạ của các nguyên tố trong ruột Trái đất, trong đómột dòng lớn các electron-phản neutrino năng lượng thấp được phát ra. Siêu tân tinh cũng là một hiện tượng chủ yếu là neutrino, vì chỉ những hạt này mới có thể xuyên qua vật chất siêu đặc được tạo ra trong một ngôi sao đang sụp đổ; chỉ một phần nhỏ năng lượng được chuyển hóa thành ánh sáng. Các tính toán cho thấy khoảng 2% năng lượng của Mặt trời là năng lượng của các hạt neutrino sinh ra trong phản ứng nhiệt hạch. Có khả năng phần lớn vật chất tối trong vũ trụ được tạo thành từ các hạt neutrino sinh ra trong vụ nổ Big Bang.
Vấn đề của vật lý
Các lĩnh vực liên quan đến neutrino và vật lý thiên văn rất đa dạng và đang phát triển nhanh chóng. Các câu hỏi hiện tại thu hút một số lượng lớn các nỗ lực thực nghiệm và lý thuyết như sau:
- Khối lượng của các neutrino khác nhau là gì?
- Chúng ảnh hưởng đến vũ trụ học Big Bang như thế nào?
- Chúng có dao động không?
- Neutrino thuộc loại này có thể biến đổi thành loại khác khi chúng di chuyển qua vật chất và không gian không?
- Các neutrino về cơ bản có khác với phản hạt của chúng không?
- Làm thế nào để các ngôi sao sụp đổ và hình thành siêu tân tinh?
- Vai trò của neutrino trong vũ trụ học là gì?
Một trong những vấn đề lâu nay được quan tâm đặc biệt là cái gọi là vấn đề neutrino mặt trời. Tên gọi này đề cập đến thực tế là trong một số thí nghiệm trên mặt đất được thực hiện trong 30 năm qua, số lượng hạt được quan sát một cách nhất quán hơn mức cần thiết để tạo ra năng lượng do mặt trời phát ra. Một trong những giải pháp khả thi của nó là dao động, tức là sự biến đổi của điện tửneutrino thành muon hoặc tau khi du hành đến Trái đất. Vì việc đo các hạt neutrino muon hoặc tau năng lượng thấp khó hơn nhiều, loại biến đổi này có thể giải thích tại sao chúng ta không quan sát được số lượng chính xác các hạt trên Trái đất.
Giải Nobel lần thứ tư
Giải Nobel Vật lý năm 2015 được trao cho Takaaki Kajita và Arthur McDonald vì đã khám phá ra khối lượng neutrino. Đây là giải thưởng thứ tư liên quan đến các phép đo thực nghiệm của các hạt này. Một số người có thể thắc mắc tại sao chúng ta lại quan tâm nhiều đến một thứ mà hầu như không tương tác với vật chất thông thường.
Việc chúng ta có thể phát hiện ra những hạt phù du này là minh chứng cho sự khéo léo của con người. Vì các quy tắc của cơ học lượng tử là xác suất, nên chúng ta biết rằng mặc dù hầu hết tất cả các hạt neutrino đi qua Trái đất, một số neutrino sẽ tương tác với nó. Một máy dò đủ lớn để phát hiện điều này.
Thiết bị như vậy đầu tiên được chế tạo vào những năm 60 sâu trong một mỏ ở Nam Dakota. Mỏ chứa đầy 400 nghìn lít chất lỏng tẩy rửa. Trung bình, một hạt neutrino mỗi ngày tương tác với một nguyên tử clo, biến nó thành argon. Thật đáng kinh ngạc, Raymond Davis, người phụ trách máy dò, đã nghĩ ra một cách để phát hiện ra một vài nguyên tử argon này, và bốn thập kỷ sau, vào năm 2002, ông đã được trao giải Nobel cho kỳ công kỹ thuật tuyệt vời này.
Thiên văn học mới
Vì neutrino tương tác rất yếu nên chúng có thể di chuyển rất xa. Họ cho chúng tôi cơ hội để nhìn vào những nơi mà nếu không chúng tôi sẽ không bao giờ nhìn thấy. Các hạt neutrino mà Davis phát hiện được tạo ra bởi các phản ứng hạt nhân diễn ra ở chính trung tâm của Mặt trời, và có thể thoát ra khỏi nơi cực kỳ dày đặc và nóng bỏng này chỉ vì chúng hầu như không tương tác với các vật chất khác. Thậm chí có thể phát hiện một hạt neutrino bay từ trung tâm của một ngôi sao đang nổ cách Trái đất hơn một trăm nghìn năm ánh sáng.
Ngoài ra, những hạt này giúp chúng ta có thể quan sát vũ trụ ở quy mô rất nhỏ, nhỏ hơn nhiều so với những gì Máy va chạm Hadron Lớn ở Geneva, nơi phát hiện ra boson Higgs, có thể nhìn vào. Chính vì lý do này mà Ủy ban Nobel đã quyết định trao giải Nobel cho việc phát hiện ra một loại neutrino khác.
Mất tích bí ẩn
Khi Ray Davis quan sát các hạt neutrino mặt trời, ông chỉ tìm thấy một phần ba con số dự kiến. Hầu hết các nhà vật lý tin rằng lý do của điều này là do kiến thức kém về vật lý thiên văn của Mặt trời: có lẽ các mô hình bên trong ngôi sao đã đánh giá quá cao số lượng neutrino được tạo ra trong đó. Tuy nhiên, trong những năm qua, ngay cả khi các mô hình năng lượng mặt trời được cải thiện, tình trạng thiếu hụt vẫn tiếp diễn. Các nhà vật lý thu hút sự chú ý đến một khả năng khác: vấn đề có thể liên quan đến sự hiểu biết của chúng ta về những hạt này. Theo lý thuyết thịnh hành lúc bấy giờ, chúng không có khối lượng. Nhưng một số nhà vật lý đã lập luận rằng các hạt thực sự có một phần nhỏkhối lượng lớn, và khối lượng này là lý do cho sự thiếu hụt của chúng.
Hạt ba mặt
Theo lý thuyết dao động neutrino, có ba loại neutrino khác nhau trong tự nhiên. Nếu một hạt có khối lượng, thì khi chuyển động, nó có thể thay đổi từ loại này sang loại khác. Ba loại - electron, muon và tau - khi tương tác với vật chất có thể được chuyển đổi thành hạt mang điện tương ứng (electron, muon hoặc tau lepton). "Dao động" xảy ra do cơ học lượng tử. Loại neutrino không phải là hằng số. Nó thay đổi theo thời gian. Một neutrino, bắt đầu tồn tại như một electron, có thể biến thành một muon, và sau đó quay trở lại. Do đó, một hạt hình thành trong lõi của Mặt trời, trên đường tới Trái đất, có thể định kỳ biến thành hạt muon-neutrino và ngược lại. Vì máy dò Davis chỉ có thể phát hiện các hạt neutrino điện tử có khả năng dẫn đến sự biến đổi hạt nhân của clo thành argon, nên có vẻ như các hạt neutrino bị thiếu đã biến thành các dạng khác. (Hóa ra, neutrino dao động bên trong Mặt trời, không phải trên đường tới Trái đất.)
Thử nghiệm của Canada
Cách duy nhất để kiểm tra điều này là chế tạo một máy dò hoạt động cho cả ba loại neutrino. Kể từ những năm 1990, Arthur McDonald của Đại học Queen's Ontario đã dẫn đầu nhóm nghiên cứu đã thực hiện điều này trong một khu mỏ ở Sudbury, Ontario. Cơ sở này chứa hàng tấn nước nặng do chính phủ Canada cho vay. Nước nặng là một dạng nước hiếm nhưng có trong tự nhiên, trong đó hydro, chứa một proton,được thay thế bằng deuterium đồng vị nặng hơn của nó, chứa một proton và một neutron. Chính phủ Canada dự trữ nước nặng vì nó được sử dụng làm chất làm mát trong các lò phản ứng hạt nhân. Cả ba loại neutrino đều có thể phá hủy deuterium để tạo thành một proton và một neutron, và sau đó người ta đếm được neutron. Máy dò đã đăng ký số lượng hạt gấp khoảng ba lần so với Davis - chính xác là con số được dự đoán bởi các mô hình tốt nhất của Mặt trời. Điều này cho thấy rằng electron-neutrino có thể dao động thành các dạng khác của nó.
Thử nghiệm của Nhật Bản
Cùng thời gian đó, Takaaki Kajita của Đại học Tokyo đã thực hiện một thí nghiệm đáng chú ý khác. Một máy dò được lắp đặt trong một mỏ ở Nhật Bản đã đăng ký các hạt neutrino không đến từ ruột của Mặt trời, mà từ tầng trên của bầu khí quyển. Khi các proton của tia vũ trụ va chạm với bầu khí quyển, các hạt khác được hình thành, bao gồm cả hạt neutrino muon. Trong mỏ, họ biến các hạt nhân hydro thành các hạt muon. Máy dò Kajita có thể nhìn thấy các hạt đi theo hai hướng. Một số rơi từ trên cao xuống, đến từ bầu khí quyển, trong khi những người khác di chuyển từ bên dưới. Số lượng các hạt khác nhau, điều này cho thấy bản chất khác nhau của chúng - chúng ở các điểm khác nhau trong chu kỳ dao động của chúng.
Cuộc cách mạng trong khoa học
Tất cả đều kỳ lạ và đáng kinh ngạc, nhưng tại sao các dao động và khối lượng neutrino lại thu hút nhiều sự chú ý đến vậy? Lý do rất đơn giản. Trong mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt được phát triển trong năm mươi năm qua của thế kỷ XX,vốn đã mô tả chính xác tất cả các quan sát khác trong máy gia tốc và các thí nghiệm khác, neutrino lẽ ra không có khối lượng. Việc phát hiện ra khối lượng neutrino gợi ý rằng một cái gì đó đang bị thiếu. Mô hình Chuẩn chưa hoàn chỉnh. Các yếu tố còn thiếu vẫn chưa được phát hiện, thông qua Máy va chạm Hadron Lớn hoặc một cỗ máy khác chưa được tạo ra.
