Chân dung chủ nhân Nobel Vật lý săn 'hạt ma' ở Nam Cực

Chân dung nhà khoa học người Mỹ gốc Bỉ Francis Halzen giải Nobel Vật lý năm 2026. Ảnh: AA/TTXVN phát

Hàng chục năm nghiên cứu của ông đã góp phần mở ra phương pháp quan sát vũ trụ hoàn toàn mới (thiên văn học neutrino).

Theo hãng thông tấn Anadolu (Thổ Nhĩ Kỳ), ý tưởng của ông Francis Halzen táo bạo chẳng kém gì nơi nó được đưa vào thử nghiệm: biến khối băng Nam Cực dung tích 1 km khối thành kính thiên văn có khả năng quan sát những hạt gần như vô hình bay tới từ các vùng xa xôi nhất của vũ trụ.

Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã vinh danh giáo sư Halzen "vì những đóng góp mang tính quyết định đối với Đài quan sát Neutrino IceCube và việc phát hiện ra các hạt neutrino năng lượng cao có nguồn gốc từ vũ trụ". Ông Mark Pearce, Chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý, cho biết giáo sư Halzen đã dẫn dắt nhóm nghiên cứu quốc tế tạo ra thiết bị khoa học phi thường. "Sự kiên trì và tầm nhìn khoa học của ông đã mở đường cho lĩnh vực thiên văn học mới", ông Pearce nhận xét.

Từ Bỉ đến Wisconsin (Mỹ)

Ông Halzen sinh ngày 23/3/1944 tại Tienen, Bỉ. Ông theo học ngành toán và vật lý tại Đại học KU Leuven. Cũng tại ngôi trường này, ông nhận bằng thạc sĩ vào năm 1966 và hoàn thành luận án tiến sĩ về sự phá vỡ đối xứng của các hạt tổ hợp hadron vào năm 1969.

Sau thời gian làm chuyên viên nghiên cứu khoa học tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN) ở Geneva (Thụy Sĩ), ông được mời đến Đại học Wisconsin-Madison cho chuyến công tác nghiên cứu dự kiến ban đầu chỉ kéo dài 6 tháng. Ông Halzen gia nhập khoa vật lý của trường Đại học Wisconsin-Madison vào năm 1972 và gắn bó với nơi này trong hơn 5 thập niên. Ông trở thành Giáo sư Nghiên cứu Vilas và Giáo sư Ưu tú Gregory Breit, hoạt động trong lĩnh vực giao thoa giữa vật lý hạt, vật lý thiên văn và vũ trụ học.

Giai đoạn đầu sự nghiệp của ông trùng với thời điểm phát triển Mô hình Chuẩn trong vật lý hạt. Ông đã nghiên cứu ứng dụng mô hình này vào các máy gia tốc hạt và nghiên cứu tia vũ trụ. Ông cũng đồng biên soạn cuốn Quarks and Leptons - giáo trình sau đó được sử dụng rộng rãi trong các khóa học vật lý hạt.

Tuy nhiên, đến giữa thập niên 1980, ông bắt đầu chuyển hướng quan tâm sang neutrino – những hạt trung hòa về điện, có khối lượng cực nhỏ và hiếm khi tương tác với vật chất. Chính đặc tính khó nắm bắt này đã mang lại cho chúng biệt danh "hạt ma", nhưng cũng đồng thời biến chúng thành những sứ giả thiên văn đầy tiềm năng.

Khác với ánh sáng, neutrino có thể xuyên qua khí, bụi, các hành tinh và những dạng vật chất khác mà không bị hấp thụ hay làm chệch hướng. Theo ông Halzen, việc nghiên cứu các hạt này có thể giúp giới khoa học "quan sát những điều trong vũ trụ không thể thấy được bằng bất kỳ cách nào khác".

Xây dựng kính thiên văn bên dưới lớp băng

Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển công bố giải Nobel Vật lý 2026 thuộc về Giáo sư Francis Halzen. Ảnh: THX/TTXVN phát

Thách thức nằm ở việc phát hiện ra neutrino. Hạt neutrino có thể đi qua những khoảng cách khổng lồ mà không va chạm với bất kỳ nguyên tử nào. Do đó, các nhà nghiên cứu cần một thiết bị dò tìm cực lớn và nằm trong môi trường tối để quan sát những tương tác hiếm hoi thực sự xảy ra.

Năm 1987, ông Halzen bắt đầu thực hiện dự án AMANDA nhằm thử nghiệm khả năng lắp đặt các thiết bị dò ánh sáng có độ nhạy cao sâu bên trong lớp băng Nam Cực.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng nước nóng để khoan những lỗ sâu hàng nghìn mét vào lớp băng và thả xuống các sợi cáp gắn cảm biến quang học trước khi nước đóng băng trở lại. Dự án AMANDA đã chứng minh rằng lớp băng ở độ sâu này đủ trong và ổn định để đóng vai trò như thiết bị dò hạt. Thí nghiệm này đã trở thành nền tảng công nghệ cho Đài quan sát Neutrino IceCube với quy mô lớn hơn nhiều.

Quá trình xây dựng Đài quan sát IceCube bắt đầu vào năm 2004. Sợi cáp cuối cùng được thả xuống lớp băng vào tháng 12/2010 và đợt vận hành khoa học chính thức đầu tiên với đầy đủ trang thiết bị đã bắt đầu vào tháng 5/2011.

Đài quan sát IceCube hoàn thiện bao gồm 5.160 cảm biến quang học được lắp đặt bên trong khối băng Nam Cực nặng khoảng một tỷ tấn. Khi một hạt neutrino tình cờ va chạm với hạt nhân nguyên tử, nó sẽ tạo ra hạt mang điện phát ánh sáng xanh mờ, được gọi là bức xạ Cherenkov. Các cảm biến sẽ ghi lại ánh sáng này, tạo điều kiện để các nhà nghiên cứu ước tính năng lượng và hướng di chuyển của hạt neutrino. "Chúng tôi đã bắt đầu với quy mô nhỏ và thật bất ngờ khi chính chúng tôi cũng đã vượt qua được tất cả những trở ngại đó", ông Halzen chia sẻ.

Bước ngoặt đối với Đài quan sát IceCube diễn ra vào năm 2013, khi nhóm nghiên cứu công bố bằng chứng về các hạt neutrino năng lượng cao đến từ bên ngoài hệ Mặt Trời. Phát hiện này khẳng định rằng các hạt được sinh ra từ những thiên thể mạnh mẽ bậc nhất vũ trụ có thể được phát hiện thông qua lớp băng ở Nam Cực. Một bước tiến quan trọng khác diễn ra vào tháng 9/2017, khi Đài quan sát IceCube phát hiện hạt neutrino có mức năng lượng ước tính lên tới 290 nghìn tỷ electron-volt và nhanh chóng thông báo cho các đài quan sát khác.

Các quan sát khác đã liên kết hạt này với TXS 0506+056 vốn là thiên hà hoạt động ở xa, được vận hành bởi một lỗ đen siêu khối lượng và nằm cách Trái Đất khoảng 4 tỷ năm ánh sáng. Sự kiện này đã mang lại bằng chứng thuyết phục đầu tiên về nguồn gốc của các hạt neutrino vũ trụ năng lượng cao, đồng thời chứng minh tiềm năng của việc kết hợp dữ liệu phát hiện neutrino với các quan sát từ kính thiên văn truyền thống.

Kể từ đó, Đài quan sát IceCube đã được sử dụng để nghiên cứu tia vũ trụ, vật chất tối, các đặc tính của neutrino, Dải Ngân hà và các thiên hà đang hoạt động.

Trước khi nhận giải Nobel, ông Halzen đã được trao nhiều giải thưởng danh giá khác, bao gồm Giải thưởng Balzan, Giải thưởng Bruno Pontecorvo, Giải thưởng IUPAP Yodh và Huy chương Thành tựu Nghiên cứu Xuất sắc năm 2026 của Hiệp hội Vật lý Mỹ. Ông được bầu làm thành viên Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ vào năm 2024.

Giáo sư Halzen (82 tuổi) nhận tin về giải Nobel khi đang ở Italy và mô tả đây là bất ngờ ngoài mong đợi. Là người duy nhất được trao giải, ông sẽ nhận toàn bộ số tiền thưởng trị giá tương đương khoảng 1,2 triệu USD.