Tìm kiếm phản vật chất ở nơi lạnh nhất vũ trụ

Borexino là một máy dò neutrino có độ nhạy cao được đặt tại Laboratori Nazionali del Gran Sasso ở miền trung nước Ý. Nằm sâu dưới lòng đất, nó sử dụng chất phát quang lỏng siêu tinh khiết để phát hiện neutrino năng lượng thấp của mặt trời và nghiên cứu các đặc tính cơ bản của neutrino củng nhưcác quá trình mặt trời.

Trong số hơn 150 nhà nghiên cứu hàng đầu đóng góp vào công trình mang tính đột phá này có giáo sư vật lý Thomas Gutierrez từ Cal Poly. Là nhà nghiên cứu chính của dự án kéo dài ba năm do Quỹ khoa học quốc gia tài trợ 340.000 USD, Gutierrez đóng vai trò quan trọng trong dự án.

Cuộc tìm kiếm sự phân rã hạt nhân bị cấm

Nghiên cứu diễn ra tại Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso, nằm gần Assergi cách Rome khoảng 120 cây số về phía đông bắc. Cơ sở hiện đại này thu hút giới khoa học từ các tổ chức uy tín gồm UC Berkeley, UCLA, Yale, MIT, Johns Hopkins, Cal Poly và các trường đại học nổi tiếng trên khắp châu Âu và châu Á.

Cùng với các nhà khoa học khác, Gutierrez và nhóm sinh viên Cal Poly đang khám phá các lý thuyết chưa được chứng minh liên quan đến sự phân rã hạt nhân, còn được gọi là sự phân rã phóng xạ. Đây là quá trình mà hạt nhân nguyên tử không ổn định mất năng lượng thông qua bức xạ. Công trình của họ cố gắng giúp giải thích rõ hơn lý do tại sao vũ trụ chứa đầy vật chất và giải quyết những bí ẩn khác đã làm các nhà khoa học bối rối trong nhiều thế hệ.

Giải mã bí mật của neutrino

Gutierrez cho biết: “Nếu bạn có thể tìm ra thứ gì đó phá vỡ các định luật vật lý, thì đó chính là mục tiêu của khám phá này. Chúng tôi đang tìm kiếm một loại phân rã hạt nhân hiện đang đi ngược lại các định luật vật lý. Theo các định luật, nó không được phép xảy ra. Vì vậy, nếu nó xảy ra như điều mà chúng tôi đang tìm kiếm, thì nó cho bạn biết rất nhiều về cách thế giới vận hành”.

Nghiên cứu tiếp tục hợp tác khoa học bắt đầu theo chương trình CUORE (Đài quan sát ngầm đông lạnh cho các sự kiện hiếm gặp) quốc tế, hiện được gọi là CUPID (Nâng cấp CUORE với Nhận dạng hạt).

Lĩnh vực nghiên cứu của Gutierrez tập trung vào neutrino, là những vi hạt có khối lượng rất nhỏ trong thế giới hạt cơ bản. Có rất nhiều trong vũ trụ tại Vụ nổ lớn và di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, neutrino cũng có thể xuất phát từ các vụ nổ dữ dội như các ngôi sao phát nổ. Neutrino thường được tạo ra bởi sự phân rã phóng xạ. Vì chúng không tương tác nhiều và trung tính, chúng có thể giúp giải thích những bí ẩn của vũ trụ liên quan đến vật chất và phản vật chất.

Thách thức đối xứng vật chất-phản vật chất

Trong vật lý hiện đại, tất cả các hạt đều có phản hạt, phản vật chất tương ứng của riêng chúng: electron có phản electron (positron), quark có phản quark, và neutron và proton (tạo nên hạt nhân của nguyên tử) có phản neutron và phản proton.

Gutierrez cho biết: "Theo định luật vật lý, vật chất và phản vật chất phải có lượng bằng nhau. Nếu thế, tất cả mọi thứ phải bị hủy diệt, biến mất và chúng ta không thể tồn tại. Nhưng mảnh vật chất nhỏ bé còn sót lại này lại là chúng ta. Tại sao chúng ta lại tồn tại? Tại sao mảnh vật chất đó lại ở đó? Vậy thì đó là một câu đố".

Theo một lý thuyết khoa học lâu đời, neutrino - trung hòa về điện tích - có thể là phản hạt của chính chúng. Nhưng khái niệm này chưa bao giờ được chứng minh. Công trình nghiên cứu CUPID hy vọng sẽ tiết lộ khả năng phân rã beta kép không có neutrino. Đây là một quá trình phóng xạ trong đó hạt nhân nguyên tử giải phóng hai electron nhưng không có neutrino. Việc quan sát sự phân rã này sẽ ủng hộ cho giả thuyết rằng neutrino là phản hạt của chính chúng. Gutierrez phân tích: “Nếu sự phân rã beta kép không tạo ra neutrino, nó sẽ cho chúng ta biết tất cả thông tin này về nền tảng của vật chất. Điều này rất đáng chú ý”.

Những cải tiến trong công nghệ phát hiện hạt

Gutierrez và nhóm khoa học quốc tế đang hợp tác nghiên cứu tinh thể tellurium dioxide, hỗn hợp của nguyên tố tellurium và oxy. Gutierrez cho biết: “Có một giả thuyết cho rằng đồng vị tellurium có thể trải qua quá trình phân rã beta kép không có neutrino”.

Khoảng một phần ba hạt nhân tellurium trong khối tinh thể này là đồng vị phù hợp. Từ đó Gutierrez cho biết: “Ý tưởng là sử dụng một máy dò từ tinh thể này để đo quá trình phân rã của chính nó. Nó sẽ lắng đọng một lượng năng lượng nhất định, làm tăng nhiệt độ mà chúng ta có thể quan sát được. Thông qua thử nghiệm này, nếu mọi thứ thuận lợi, chúng ta có thể xác định rằng neutrino có phải là phản hạt của chính nó hay không”.

Tầm quan trọng của vật liệu cổ đại trong nghiên cứu hiện đại

Cơ sở phòng thí nghiệm của Ý che chắn các tia vũ trụ và các bức xạ tự nhiên khác thông qua khoảng một km đá theo mỗi hướng và một tấm chắn bảo vệ dày sáu cm được chế tạo từ chì đun sôi. Đây là chì cổ đại lấy từ một vụ đắm tàu buôn La Mã cổ đại và được sử dụng làm vật bảo vệ cho nghiên cứu của phòng thí nghiệm không nhiễm vật liệu phóng xạ. Chỉ chì cổ đại được sử dụng làm vật bảo vệ cho nghiên cứu của phòng thí nghiệm vì nó không chứa vật liệu phóng xạ của riêng nó ,

Cơ sở của Ý là trung tâm nghiên cứu ngầm lớn nhất thế giới. Các điều kiện nghiên cứu lạnh đã được thiết kế cho nhiệt độ khoảng 10 mili Kelvin tức 0,01 độ K. Nhiệt độ lạnh như vậy giúp ích cho khoa học hạt vì khi các hạt được làm mát, chúng di chuyển chậm hơn nhiều, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu chính xác hơn về hành vi của chúng.

Gutierrez cho biết mọi người đã "đập đầu vào tường để cố gắng hiểu" các lý thuyết xung quanh phản vật chất so với vật chất và cách neutrino có thể liên quan.

Gutierrez cho biết: “Có rất nhiều hướng nghiên cứu khác nhau mà mọi người đã khám phá. Thế nhưng, khoảng 30 năm trước, xuất hiện ý tưởng cho rằng nếu sự phân rã này xảy ra, thì điều đó cho chúng ta biết về các đặc tính của vật chất và cũng cho thấy rằng vũ trụ thực có nhiều vật chất hơn phản vật chất một chút”.

Anh Tú