Nobel vật lý soi rọi hạt neutrino

Nhà khoa học Canada Arthur B. McDonald và vợ sau khi hay tin thắng giải Nobel - Ảnh: Reuters

Theo trang web Nobelprize.org, Viện hàn lâm Khoa học hoàng gia Thụy Điển (RSAC) quyết định trao giải Nobel vật lý cho nhà khoa học Takaaki Kajita (Nhật) và Arthur B. McDonald (Canada) nhờ phát hiện hạt neutrino có thể thay đổi dạng thái, cho thấy hạt sơ cấp này có khối lượng dù cực nhỏ.

“Phát hiện này đã làm thay đổi sự hiểu biết của chúng ta về thế giới lượng tử và đóng vai trò quan trọng đối với kiến thức của loài người về vũ trụ” - RSAC nhấn mạnh.

Neutrino là hạt sơ cấp từng được cho là không có khối lượng. Sau hạt ánh sáng (photon), neutrino là hạt tồn tại nhiều nhất trong vũ trụ. Trái đất thường xuyên bị neutrino bắn phá. Neutrino di chuyển trong vũ trụ với tốc độ gần bằng ánh sáng và hiếm khi tương tác với vật chất.

Một số hạt neutrino được tạo ra từ Vụ nổ lớn (Big Bang), phần lớn từ các vụ nổ sao (supernova), phản ứng trong nhà máy hạt nhân hay quá trình phân rã phóng xạ tự nhiên...

Hạt “ma quái”

Từ nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học quốc tế luôn trăn trở với bức màn bí ẩn che giấu bản chất hạt neutrino, thậm chí nhiều người còn không tin rằng nó tồn tại. Năm 1956, hai nhà vật lý học Mỹ Frederick Reines (đoạt giải Nobel năm 1995) và Clyde Cowan gửi thư cho nhà khoa học Áo Wolfgang Pauli (giải Nobel năm 1945) - người từng tiên đoán sự tồn tại của neutrino, để thông báo họ đã tìm thấy neutrino.

Nhưng giới vật lý hạt không hiểu rõ bản chất của neutrino vì loạt hạt “ma quái” này hầu như không tương tác với vật chất. Một chiến dịch săn lùng neutrino được phát động trên toàn thế giới.

Năm 1996, đài quan sát neutrino Super-Kamiokande, nằm dưới một khu mỏ cách Tokyo 250km, bắt đầu hoạt động. Ba năm sau, đài quan sát neutrino Sudbury (SNO), trong một khu mỏ ở Ontario (Canada), cũng tham gia chiến dịch tìm kiếm đầy gian khổ.

Năm 1998, chuyên gia Nhật Takaaki Kajita công bố phát hiện hạt neutrino thay đổi khi đi vào đài Super-Kamiokande. Các hạt neutrino mà đài Super-Kamiokande bắt được được sản xuất từ các phản ứng giữa tia vũ trụ với bầu khí quyển Trái đất.

Trong khi đó, SNO nghiên cứu neutrino xuất phát từ Mặt trời. Đến năm 2001, nhóm nghiên cứu do nhà vật lý Arthur B. McDonald dẫn đầu cũng chứng minh được rằng neutrino từ Mặt trời không biến mất trên đường tới Trái đất mà chuyển sang một dạng thái khác.

Nhà khoa học Nhật Takaaki Kajita hạnh phúc tại buổi họp báo chiều 6-10 ở Tokyo - Ảnh: Reuters

Giúp hiểu tương lai vũ trụ

Các thí nghiệm của hai nhà khoa học đã phát hiện một hiện tượng mới: dao động phảng phất của neutrino. Kết luận sâu hơn là neutrino phải có khối lượng dù cực nhỏ. Đó là khám phá mang tính chất đột phá đối với vật lý hạt và sự hiểu biết của loài người về vũ trụ.

Giới chuyên môn đánh giá “phát hiện hạt neutrino có khối lượng” là đột phá vĩ đại đối với ngành vật lý hạt. Mô hình chuẩn của vật lý hạt (thuyết mô tả về tương tác mạnh, tương tác yếu, lực điện từ cũng như những hạt cơ bản tạo nên vật chất) được phát triển đầu thập niên 1970 và hoạt động cực kỳ thành công.

Trong 20 năm qua, Mô hình chuẩn đã đánh bại mọi thách thức. Nhưng Mô hình chuẩn đòi hỏi neutrino phải không có khối lượng.

Phát hiện của hai chuyên gia Kajita và McDonald cho thấy Mô hình chuẩn không thể là lý thuyết toàn vẹn và hoàn chỉnh về hoạt động của các thành tố cơ bản nhất trong vũ trụ. Nhưng ngành vật lý vẫn cần phải trả lời nhiều câu hỏi quan trọng về bản chất của hạt neutrino trước khi phát triển các lý thuyết mới vượt ra ngoài Mô hình chuẩn.

Khối lượng của neutrino là gì? Tại sao chúng lại nhẹ như vậy? Neutrino chỉ có ba loại đã phát hiện hay nhiều hơn? Tại sao chúng khác biệt với các hạt cơ bản khác đến thế?

RSAC khẳng định phát hiện đoạt giải Nobel vật lý 2015 đã chiếu rọi ánh sáng khoa học vào thế giới ẩn giấu và bí mật của hạt neutrino.

Trên thế giới, các nhà vật lý đang chạy đua dữ dội để “bắt” hạt neutrino và nghiên cứu chúng. “Các phát hiện mới về những bí mật bị che giấu kỹ càng của hạt neutrino sẽ làm thay đổi sự hiểu biết của loài người về lịch sử, cấu trúc và số phận tương lai của vũ trụ” - RSAC đánh giá.

Khoảnh khắc Eureka

Nhà khoa học Takaaki Kajita hiện là giám đốc Viện Nghiên cứu tia vũ trụ và giáo sư ĐH Tokyo (Nhật). Ông Arthur B. McDonald là giáo sư ĐH Queen ở Canada.

“Trong thí nghiệm này, chúng tôi có một khoảnh khắc Eureka khi phát hiện neutrino thay đổi dạng thái khi đi từ Mặt trời tới Trái đất” - Reuters dẫn lời giáo sư McDonald.

Ông khẳng định phát hiện về neutrino không chỉ làm thay đổi vật lý hạt mà còn soi sáng cơ chế hoạt động của quá trình tổng hợp hạt nhân, tương lai có thể trở thành nguồn điện quan trọng của loài người.