Hạt cứu thế giới

Việc tìm ra sự “nhảy qua nhảy lại” giữa hai trong ba trạng thái tồn tại của neutrino đã chứng minh rằng Mặt trời vẫn đang tiếp tục sưởi ấm Trái đất

Số phận thiệt thòi của neutrino

Neutrino được nhà vật lý Thụy Sĩ Wolfgang Pauli “khai sinh” năm 1930. Khi nghiên cứu phân rã beta, trong đó hạt hạt nhân trung tính (sau gọi là neutron) biến mất, thay vào đó xuất hiện một proton và một electron, W. Pauli thấy rằng nếu kết quả chỉ có như vậy thì định luật bảo toàn năng lượng sẽ bị vi phạm. Để tránh sự vi phạm đó, W. Pauli tuyên bố rằng còn phải xuất hiện một hạt khác nữa, và gọi nó là “neutron”.

Hai năm sau, nhà vật lý người Anh James Chadwick đã “tìm ra neutron”. Đó là một hạt trung tính. Nhưng thật trớ trêu, nó lại quá nặng so với “neutron của Pauli”. Khảo sát kỹ hơn cho thấy đây chính là hạt hạt nhân trung tính. Hạt trung tính mới được tìm ra này đã cướp mất tên “neutron” của cái hạt bé nhỏ đáng thương được Pauli khai sinh.

Năm 1933, nhà vật lý người Ý Enrico Fermi (1901 - 1954) xây dựng lý thuyết về tương tác yếu, trong đó hạt của Pauli đóng vai trò rường cột. Vì vậy, cần phải nghĩ ra cho nó một cái tên khác. Vì cũng là hạt trung tính mà lại quá bé nhỏ so với kẻ đã cướp mất cái tên “neutron”, nên nhà bác học người Ý Fermi đã gọi nó là “neutrino”, ngụ ý là “neutron nhỏ”.

Số phận hẩm hiu của neutrino còn ở chỗ: vì “quá bé” và trung tính nên nó hầu như không tương tác với các hạt vật chất. Vì vậy, gần như chắc chắn sẽ không có máy móc nào quan sát được hạt này, nó phải chịu ấm ức “sống trong bóng tối” một cách đơn độc.

Chỉ được cái nó có thể tự do “du ngoạn” khắp nơi trong vũ trụ, xuyên qua chiều dày của những ngôi sao khổng lồ và tồn tại nhiều tỉ năm. Tính toán cho thấy mỗi giây có hàng triệu tỉ neutrino đi xuyên qua cơ thể của mỗi người, nhưng không hề gây tổn hại gì vì nó không tương tác với các hạt tạo nên các tế bào cơ thể. Đúng là mạnh mẽ nhưng rất khiêm nhường!

Do neutrino tương tác quá yếu với vật chất, W. Pauli đã từng đánh cuộc (bằng champagne) rằng sẽ không bao giờ có ai “tóm” được nó. Tuy nhiên, ông đã thua cuộc. Vào năm 1956, Clyde Cowan và Fred Reines đã quan sát được “phản - neutrino” phát ra từ lò phản ứng hạt nhân ở bang Nam Carolina (Mỹ).

Tính chất hầu như không tương tác với các hạt vật chất làm cho neutrino hầu như không bị “lộ diện”, vì thế nó được coi là bí ẩn nhất trong các hạt vi mô.

Neutrino cũng được gọi vui là “hạt đã cứu thế giới”, do khi quan sát tốc độ sinh neutrino trong các phản ứng nhiệt hạch trong lòng Mặt trời, người ta biết được rằng trong vòng hàng trăm ngàn năm qua, cường độ của những phản ứng cho năng lượng khổng lồ này không hề suy giảm. Nghĩa là Mặt trời chưa thể nguội đi rõ rệt, do đó chưa đe dọa sự sống trên Trái đất, trong hàng trăm ngàn năm tới.

Vấn đề khối lượng của neutrino

Trong khoa học về các hạt vi mô, từ đầu thập niên 1960 đã hình thành một lĩnh vực nghiên cứu rất sâu rộng dựa trên cái gọi là “Mô hình chuẩn”. Một nhiệm vụ trung tâm của lĩnh vực này là nghiên cứu tính chất và “tóm” cho bằng được “hạt của Chúa” - các boson Higgs.

Việc tìm kiếm thành công boson Higgs vào ngày 14-3-2013 khẳng định gần như chắc chắn sức sống của “Mô hình chuẩn” (mang lại giải Nobel vật lý 2013 cho những người đã tiên đoán sự tồn tại và xác định các tính chất của boson Higgs). Trong mô hình này, việc giả định rằng neutrino có khối lượng khác 0 dẫn đến mâu thuẫn (theo “Mô hình chuẩn” thời đó thì neutrino phải có khối lượng bằng 0).

Tuy nhiên, cuối thập niên 1990, cộng đồng nghiên cứu SuperKamiokande (Nhật Bản) tiến hành những quan sát theo hướng khẳng định rằng neutrino có khối lượng khác 0. Họ phát hiện ra những hiệu ứng cho phép kết luận rằng neutrino chuyển động với vận tốc hơi nhỏ hơn vận tốc ánh sáng, đồng nghĩa với việc neutrino có khối lượng dương (tuy rất nhỏ so với khối lượng của cả những hạt vật chất nhẹ nhất).

Năm 1998, trong một hội nghị vật lý, cộng đồng SuperKamiokande đã công bố kết quả gây chấn động đó.

Tuy nhiên, các nhà khoa học đã không vứt bỏ “Mô hình chuẩn” vì sự kiện này. Thay vào đó, họ chỉnh lại mô hình để sự kiện neutrino có khối lượng dương vẫn phù hợp với nó.■