Hàng nghìn cảm biến được phân bố trên một km vuông gần Nam Cực có nhiệm vụ trả lời một trong những câu hỏi lớn nổi bật trong vật lý: lực hấp dẫn lượng tử có tồn tại không? Các cảm biến giám sát neutrino—các hạt không có điện tích và gần như không có khối lượng—đến Trái đất từ không gian bên ngoài. Một nhóm nghiên cứu từ Viện Niels Bohr (NBI), Đại học Copenhagen, đã góp phần phát triển phương pháp khai thác dữ liệu neutrino để khám phá liệu lực hấp dẫn lượng tử có tồn tại hay không.
“Nếu như chúng tôi tin tưởng, lực hấp dẫn lượng tử thực sự tồn tại, thì điều này sẽ góp phần thống nhất hai thế giới hiện nay trong vật lý học. Ngày nay, vật lý cổ điển mô tả các hiện tượng trong môi trường xung quanh bình thường của chúng ta như lực hấp dẫn, trong khi thế giới nguyên tử chỉ có thể được mô tả bằng cơ học lượng tử.
“Sự thống nhất giữa lý thuyết lượng tử và lực hấp dẫn vẫn là một trong những thách thức nổi bật nhất trong vật lý cơ bản. Sẽ rất hài lòng nếu chúng tôi có thể đóng góp vào mục tiêu đó,” Tom Stuttard, Trợ lý Giáo sư tại NBI cho biết.
Stuttard là đồng tác giả của một bài báo đăng trên tạp chí Vật lý tự nhiên. Bài viết trình bày kết quả từ một nghiên cứu lớn của nhóm NBI và các đồng nghiệp Mỹ. Hơn 300,000 neutrino đã được nghiên cứu.
Tuy nhiên, đây không phải là loại neutrino thú vị nhất có nguồn gốc từ các nguồn trong không gian sâu. Các neutrino trong nghiên cứu này được tạo ra trong bầu khí quyển Trái đất, khi các hạt năng lượng cao từ không gian va chạm với nitơ hoặc các phân tử khác.
“Việc quan sát các neutrino có nguồn gốc từ bầu khí quyển Trái đất có lợi thế thực tế là chúng phổ biến hơn nhiều so với các anh chị em của chúng từ ngoài vũ trụ. Chúng tôi cần dữ liệu từ nhiều neutrino để xác nhận phương pháp của chúng tôi. Điều này đã được thực hiện ngay bây giờ. Vì vậy, chúng tôi sẵn sàng bước vào giai đoạn tiếp theo trong đó chúng tôi sẽ nghiên cứu neutrino từ không gian sâu thẳm,” Stuttard nói.
Du hành không bị xáo trộn qua Trái đất
Đài thiên văn IceCube Neutrino nằm cạnh Trạm Cực Nam Amundsen-Scott ở Nam Cực. Ngược lại với hầu hết các cơ sở vật lý thiên văn và thiên văn học khác, IceCube hoạt động tốt nhất để quan sát không gian ở phía đối diện Trái đất, nghĩa là Bắc bán cầu. Điều này là do trong khi neutrino hoàn toàn có khả năng xuyên qua hành tinh của chúng ta—và thậm chí cả lõi đặc, nóng của nó—các hạt khác sẽ bị dừng lại, và do đó tín hiệu sẽ sạch hơn nhiều đối với các neutrino đến từ Bắc bán cầu.
Cơ sở IceCube được điều hành bởi Đại học Wisconsin-Madison, Hoa Kỳ. Hơn 300 nhà khoa học từ các quốc gia trên thế giới đã tham gia vào sự hợp tác của IceCube. Đại học Copenhagen là một trong hơn 50 trường đại học có trung tâm IceCube để nghiên cứu neutrino.
Vì neutrino không có điện tích và gần như không có khối lượng nên nó không bị ảnh hưởng bởi lực điện từ và lực hạt nhân mạnh, cho phép nó di chuyển hàng tỷ năm ánh sáng trong vũ trụ ở trạng thái ban đầu.
Câu hỏi quan trọng là liệu các tính chất của neutrino trên thực tế có hoàn toàn không thay đổi khi nó truyền đi trên những khoảng cách lớn hay rốt cuộc những thay đổi nhỏ có đáng chú ý hay không.
Stuttard nói: “Nếu neutrino trải qua những biến đổi tinh vi mà chúng tôi nghi ngờ, thì đây sẽ là bằng chứng mạnh mẽ đầu tiên về lực hấp dẫn lượng tử”.
Neutrino có ba loại
Để hiểu những thay đổi nào trong đặc tính neutrino mà nhóm đang tìm kiếm, cần có một số thông tin cơ bản. Trong khi chúng ta gọi nó là một hạt, thì cái mà chúng ta quan sát thấy là neutrino thực ra là ba hạt được tạo ra cùng nhau, được biết đến trong cơ học lượng tử là sự chồng chất.
Neutrino có thể có ba cấu hình cơ bản – các mùi vị mà các nhà vật lý gọi là – đó là electron, muon và tau. Chúng ta quan sát thấy cấu hình nào trong số này thay đổi khi neutrino di chuyển, một hiện tượng thực sự kỳ lạ được gọi là dao động neutrino. Hành vi lượng tử này được duy trì trên hàng nghìn km trở lên, được gọi là sự kết hợp lượng tử.
“Trong hầu hết các thí nghiệm, sự gắn kết sẽ sớm bị phá vỡ. Nhưng điều này không được cho là do lực hấp dẫn lượng tử gây ra. Rất khó để tạo ra những điều kiện hoàn hảo trong phòng thí nghiệm. Bạn muốn chân không hoàn hảo, nhưng bằng cách nào đó một vài phân tử có thể lẻn vào, v.v.
“Ngược lại, neutrino đặc biệt ở chỗ chúng đơn giản là không bị ảnh hưởng bởi vật chất xung quanh chúng, nên chúng ta biết rằng nếu sự kết hợp bị phá vỡ thì đó không phải là do thiếu sót trong cơ cấu thí nghiệm nhân tạo,” Stuttard giải thích.
Nhiều đồng nghiệp tỏ ra nghi ngờ
Khi được hỏi liệu kết quả nghiên cứu được công bố trên Vật lý tự nhiên đúng như mong đợi, nhà nghiên cứu trả lời, “Chúng tôi nhận thấy mình đang ở trong một loại dự án khoa học hiếm hoi, cụ thể là các thí nghiệm mà không có khuôn khổ lý thuyết nào tồn tại. Vì vậy, chúng tôi không biết những gì mong đợi. Tuy nhiên, chúng tôi biết rằng chúng tôi có thể tìm kiếm một số tính chất chung mà chúng tôi mong đợi một lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn sẽ có.”
“Mặc dù chúng tôi có hy vọng nhìn thấy những thay đổi liên quan đến lực hấp dẫn lượng tử, nhưng việc chúng tôi không nhìn thấy chúng không loại trừ khả năng chúng là có thật. Khi một neutrino khí quyển được phát hiện tại cơ sở ở Nam Cực, nó thường di chuyển qua Trái đất. Nghĩa là khoảng 12,700 km—một khoảng cách rất ngắn so với neutrino có nguồn gốc từ vũ trụ xa xôi. Rõ ràng, cần một khoảng cách xa hơn nhiều để lực hấp dẫn lượng tử tạo ra tác động, nếu nó tồn tại,” Stuttard nói và lưu ý rằng mục tiêu hàng đầu của nghiên cứu là thiết lập phương pháp luận.
“Trong nhiều năm, nhiều nhà vật lý đã nghi ngờ liệu các thí nghiệm có thể hy vọng kiểm tra được lực hấp dẫn lượng tử hay không. Phân tích của chúng tôi cho thấy rằng điều đó thực sự có thể xảy ra, và với các phép đo trong tương lai với neutrino vật lý thiên văn, cũng như các máy dò chính xác hơn sẽ được chế tạo trong thập kỷ tới, chúng tôi hy vọng cuối cùng sẽ trả lời được câu hỏi cơ bản này.”