Trung Quốc xây phòng thí nghiệm 300 triệu USD, sâu 700 mét để bắt 'hạt ma vũ trụ'

8 giờ trướcBài gốc

Đài quan sát dưới lòng đất mang tầm vóc tương lai này được xây dựng với mục đích duy nhất là dò tìm các neutrino – những hạt vũ trụ cực nhỏ có khối lượng đáng kinh ngạc. Cho đến nay, chưa ai biết những "hạt ma quái" này là gì và chúng hoạt động như thế nào.

Giải mã neutrino: Chìa khóa để hiểu vũ trụ

Các nhà khoa học hy vọng phòng thí nghiệm trị giá 300 triệu USD này có thể giải đáp những câu hỏi đó, vốn rất quan trọng để hiểu được những khối cấu tạo nên vũ trụ.

Bên ngoài Trạm dò Neutrino dưới lòng đất Giang Môn

Neutrino có nguồn gốc từ Vụ Nổ Lớn (Big Bang) và hàng nghìn tỉ hạt này bay xuyên qua cơ thể chúng ta mỗi giây. Chúng phóng ra từ các ngôi sao như Mặt Trời và xuất hiện khi các nguyên tử va chạm trong máy gia tốc hạt.

Không có cách nào để phát hiện các hạt nhỏ bé này một cách độc lập. Thay vào đó, các nhà khoa học đo lường những gì xảy ra khi chúng va chạm với vật chất khác, tạo ra các tia sáng hoặc các hạt mang điện tích.

Neutrino rất hiếm khi va chạm với các hạt khác, vì vậy để tăng cơ hội "bắt" được một vụ va chạm, các nhà vật lý phải nghĩ đến quy mô lớn. Đó chính là lý do ra đời của Trạm dò Neutrino dưới lòng đất Giang Môn (Jiangmen Underground Neutrino Observatory - JUNO).

Vượt qua thách thức: Một công trình khổng lồ và tinh vi

Máy dò này, được xây dựng tại Khai Bình, Trung Quốc, mất hơn 9 năm để hoàn thành. Vị trí nằm sâu 700 mét dưới lòng đất giúp bảo vệ nó khỏi các tia vũ trụ và bức xạ có thể làm sai lệch khả năng phát hiện neutrino của nó.

Cấu trúc chính của máy dò có dạng quả cầu khổng lồ, chứa đầy chất lỏng đặc biệt được thiết kế để phát sáng khi neutrino đi qua. Các neutrino này được dẫn tới máy dò từ hai nhà máy điện hạt nhân gần đó. Quả cầu – thực chất là một lớp vỏ acrylic mỏng – được bao bọc trong một xi-lanh bảo vệ chứa 45.000 tấn nước siêu tinh khiết.

Công trình sâu 700 mét dưới lòng đất

Những neutrino này sẽ "va chạm" với các proton trong máy dò, giải phóng những tia sáng nhỏ với tần suất khoảng 50 tia mỗi ngày.

Máy dò được thiết kế đặc biệt để giải đáp một câu hỏi quan trọng về một bí ẩn đã tồn tại từ lâu. Neutrino chuyển đổi giữa ba "hương vị" khi chúng di chuyển trong không gian, và các nhà khoa học muốn xếp hạng chúng từ nhẹ nhất đến nặng nhất.

Ông Wang Yifang, từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, cho biết: “Chúng tôi sẽ biết được hệ thống cấp bậc khối lượng của neutrino. Và bằng cách biết điều này, chúng tôi có thể xây dựng mô hình cho vật lý hạt, cho neutrino và cho vũ trụ học”.

Bà Kate Scholberg, một nhà vật lý tại Đại học Duke không tham gia vào dự án, cho rằng việc cảm nhận những thay đổi tinh tế này trong các hạt vốn đã rất khó nắm bắt sẽ là một thách thức. Bà cho biết: “Đây thực sự là một điều rất táo bạo để theo đuổi”.

Các nhà vật lý cho biết sẽ mất khoảng 6 năm để tạo ra 100.000 "tia sáng" cần thiết, cho phép các kết quả có ý nghĩa thống kê.

Hợp tác quốc tế để khám phá vũ trụ

Hai máy dò neutrino tương tự – Hyper-Kamiokande của Nhật Bản và Thí nghiệm Neutrino dưới lòng đất sâu (Deep Underground Neutrino Experiment) của Mỹ – cũng đang được xây dựng. Chúng dự kiến sẽ đi vào hoạt động lần lượt vào khoảng năm 2027 và 2031 và sẽ kiểm tra chéo các kết quả của máy dò Trung Quốc bằng các cách tiếp cận khác nhau.

Trị giá công trình là 300 triệu USD

Mặc dù neutrino hiếm khi tương tác với các hạt khác, chúng đã tồn tại từ buổi bình minh của thời gian. Việc nghiên cứu những "di vật" của Big Bang này có thể cung cấp manh mối cho các nhà khoa học về cách vũ trụ đã tiến hóa và mở rộng hàng tỉ năm trước.

Giáo sư Scholberg nhận định: “Chúng là một phần của bức tranh lớn”. Một trong những câu hỏi mà các nhà nghiên cứu hy vọng neutrino có thể giúp trả lời là tại sao vũ trụ lại tràn ngập vật chất trong khi đối tác đối lập của nó – phản vật chất – phần lớn đã bị tiêu biến.

Theo lý thuyết Big Bang, khi vũ trụ mới sinh ra, phải có lượng vật chất và phản vật chất bằng nhau. Nếu vậy, chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau, và vũ trụ hôm nay hầu như không còn gì ngoài bức xạ. Nhưng thực tế, vũ trụ của chúng ta lại ngập tràn vật chất, từ những ngôi sao, hành tinh cho đến chính cơ thể chúng ta.

Neutrino được sinh ra ngay từ thời điểm vũ trụ khai sinh. Chúng gần như không tương tác với vật chất, nên hầu hết neutrino sơ khai vẫn còn tồn tại đến ngày nay, như những “chứng nhân im lặng” lưu giữ thông tin từ thuở ban đầu. Bằng cách đo đạc chính xác các tính chất của neutrino, các nhà khoa học có thể lần ngược lại cơ chế đã làm nghiêng cán cân về phía vật chất.

Một số nhà vật lý đưa ra giả thuyết: các hạt nặng tổ tiên của neutrino (gọi là neutrino siêu nặng) đã phân rã bất đối xứng ngay sau Big Bang. Sự phân rã này tạo ra nhiều lepton (trong đó có neutrino) hơn phản lepton. Sau đó, các phản ứng vật lý sơ khai trong vũ trụ đã chuyển sự mất cân bằng này thành bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất mà ta thấy ngày nay.

Tóm lại, neutrino có thể chính là mắt xích còn thiếu để lý giải tại sao vũ trụ tồn tại. Nếu chúng ta hiểu rõ thứ bậc khối lượng, cách dao động và hành vi của neutrino so với phản neutrino, thì có thể giải được câu đố: vì sao vật chất thắng thế, còn phản vật chất biến mất.

Tuy nhiên, bắt được hạt neutrino vẫn là thách thức của các nhà khoa học dù hàng nghìn tỉ hạt này xuyên qua cơ thể chúng ta mỗi giây.

Bùi Tú

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/trung-quoc-xay-phong-thi-nghiem-300-trieu-usd-sau-700-met-de-bat-hat-ma-vu-tru-237869.html