Cỗ máy dò hạt ma ở độ sâu 1.000 mét dưới lòng đất

25/06/2018 04:09:54

Căn phòng cao bằng tòa nhà 15 tầng dưới lòng đất được trang bị những máy dò nhạy nhất nhằm phát hiện hạt neutrino hay còn gọi là "hạt ma".


Ẩn dưới độ sâu 1.000 mét bên dưới núi Ikeno, Nhật Bản là một nơi trông giống như giấc mộng siêu thực. Super-Kamiokande (gọi tắt là Super-K) là đài quan sát neutrino, một trong số các hạt cơ bản cấu thành vật chất.

Giới vật lý gọi neutrino là "hạt ma" do chúng có thể xuyên qua vũ trụ, bầu khí quyển Trái Đất và chính Trái Đất mà hầu như không tương tác với vật chất thông thường. Nghiên cứu hạt neutrino sẽ giúp các nhà khoa học phát hiện những ngôi sao sắp chết và hiểu rõ hơn về vũ trụ.

Đài quan sát Super-K cao bằng một tòa nhà 15 tầng. Ảnh: Đại học Tokyo.


Khám phá thế giới hạ nguyên tử

Neutrino khó phát hiện đến mức nhà vật lý thiên văn Neil deGrasse đặt biệt danh cho chúng là "mồi săn giỏi ẩn náu nhất trong vũ trụ". deGrasse giải thích đài quan sát nằm sâu trong lòng đất để ngăn những hạt khác xâm nhập vào. “Vật chất không phải là trở ngại đối với hạt Neutrino. Hạt neutrino có thể xuyên qua lớp thép dày bằng 100 năm ánh sáng mà không giảm tốc độ”, deGrasse nói.

"Nếu vụ nổ siêu tân tinh xảy ra, một ngôi sao sẽ sụp đổ vào trong và trở thành hố đen", nhà nghiên cứu Yoshi Uchida ở Đại học Hoàng gia London, cho biết. "Nếu quá trình xảy ra trong thiên hà của chúng ta, Super-K là một trong rất ít nơi có thể quan sát hạt neutrino từ đó".

Trước khi ngôi sao bắt đầu sụp đổ, nó bắn ra hạt neutrino, do đó Super-K đóng vai trò như hệ thống cảnh báo sớm cho các nhà nghiên cứu biết thời điểm có thể quan sát sự kiện thiên văn này. "Tính toán chỉ ra cứ sau khoảng 30 năm, sẽ có một vụ nổ siêu tân tinh xảy ra trong tầm quan sát của Super-K. Nếu bỏ lỡ, bạn sẽ phải đợi trung bình vài thập kỷ nữa để nhìn thấy vụ nổ tiếp theo", Uchida chia sẻ.

Nhà vật lý thiên văn Neil deGrasse bên trong đài quan sát Super-K. Ảnh: National Geographic.


Bắn chùm hạt neutrino xuyên qua Nhật Bản

Super-K không thu giữ hạt neutrino rơi xuống Trái Đất từ vũ trụ. Super-K đón chùm hạt neutrino bay 295 km xuyên qua Trái Đất, bắn ra từ thí nghiệm T2K ở Tokai. Nghiên cứu cách hạt neutrino thay đổi hay dao động khi chúng đi qua vật chất có thể hé lộ nguồn gốc của vũ trụ, chẳng hạn như quan hệ giữa vật chất và phản vật chất.

"Mô hình vụ nổ Big Bang của chúng ta dự đoán vật chất cân bằng với phản vật chất nhưng hiện nay, phần lớn phản vật chất đã biến mất theo cách này hoặc cách khác", nhà nghiên cứu Morgan Wascko ở Đại học Hoàng gia London, nói.

Thiết kế của đài quan sát Super-K. Ảnh: Đại học Tokyo.


Cách Super-K phát hiện hạt neutrino

Super-K lớn ngang một tòa nhà 15 tầng, chứa 50.000 tấn nước siêu tinh khiết. Khi di chuyển trong nước, neutrino còn nhanh hơn cả ánh sáng. Chúng sẽ sinh ra ánh sáng giống như máy bay Concord tạo ra tiếng nổ siêu thanh, theo Uchida.

"Nếu máy bay bay rất nhanh, nhanh hơn tốc độ âm thanh, nó sẽ tạo ra sóng xung kích theo cách mà vật thể di chuyển chậm hơn không làm được. Tương tự, một hạt di chuyển trong nước, nếu đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong nước, nó cũng có thể tạo ra sóng xung kích ánh sáng", Uchida giải thích.

Căn phòng lắp 11.000 bóng màu vàng. Đây là những máy dò ánh sáng cực nhạy gọi là ống nhân quang, có thể nhận biết sóng xung kích. Wascko mô tả chúng là "phiên bản ngược của bóng đèn". Chúng có thể phát hiện lượng ánh sáng cực nhỏ và chuyển đổi thành dòng diện để quan sát.


Nước tinh khiết ở Super-K

Ống nhân quang dùng để dò ánh sáng trong Đài quan sát Super-K. Ảnh: Đại học Tokyo.

Để ánh sáng từ sóng xung kích chạm đến máy cảm biến, nước phải sạch hết mức có thể. Nước ở Super-K thường xuyên được tinh lọc, thậm chí bắn tia UV để giết chết mọi vi khuẩn.

"Nước siêu tinh khiết sẵn sàng hòa tan mọi thứ ngâm trong đó. Nước tinh khiết là thứ rất đáng sợ. Nó có đặc tính của axit và chất kiềm. Nếu bạn nhúng vào nước siêu tinh khiết ở Super-K, bạn sẽ bị tróc da", Wascko tiết lộ. Khi Super-K cần bảo dưỡng, các nhà nghiên cứu cần chèo thuyền cao su nhỏ để lắp đặt và thay thế cảm biến.


Super-K 2.0

Quy mô của Super-K có vẻ lớn, nhưng Wascko cho biết một máy dò neutrino lớn hơn mang tên "Hyper-K" đã được đề xuất xây dựng. "Chúng tôi đang cố gắng để thí nghiệm Hyper-K được thông qua và bắt đầu đi vào hoạt động năm 2026", Wascko nói. Hyper-K sẽ lớn gấp 20 lần Super-K về thể tích, trang bị 99.000 ống nhân quang so với 11.000 ở Super-K.


Vnexpress