Lời giải nào cho sự mất tích bí ẩn của các hạt neutrino?

Một nhóm nghiên cứu vật lý quốc tế vừa khẳng định đã có đáp án cho bí ẩn kéo dài 30 năm: sự mất tích của các hạt neutrino, một dạng hạt cơ bản cấu thành vật chất, phát ra từ Mặt trời. Không ai khác, chính các hạt neutrino đã “thay hình đổi dạng” trên đường đến Trái đất, khiến các nhà khoa học mất dấu chúng.

Neutrino là một trong số các hạt cơ bản cấu thành vật chất. Chúng thường được gọi là “bóng ma” do đặc tính tương tác quá yếu với các dạng vật chất khác. Chúng chia thành 3 dạng: electron-neutrino, moun-neutrino và tau-neutrino. Các neutrino sinh ra từ những phản ứng hạt nhân trong lòng Mặt trời đều là dạng electron-neutrino.

Đầu thập kỷ 70, các nhà khoa học đã thực hiện nhiều thí nghiệm để xác định lượng neutrino đến Trái đất. Tuy nhiên, họ chỉ tìm thấy khoảng 1/3 số hạt neutrino so với ước tính. Những hạt còn lại đã đi đâu? Có điều gì sai lầm trong lý thuyết về Mặt trời, hay trong nhận thức của chúng ta về neutrino?

Sau nhiều năm nghiên cứu, đến nay các nhà khoa học đã có lời giải rõ ràng: chính electron-neutrino, trong quá trình “chu du” từ nhân Mặt trời tới Trái đất, đã chuyển hóa sang dạng moun-neutrino và tau-neutrino, khiến các nhà khoa học không phát hiện được. Thực tế, tổng lượng electron-neutrino được sinh ra từ Mặt trời vẫn bằng số lượng tính toán theo mô hình.

Máy dò neutrino khổng lồ trong nghiên cứu này được đặt ngầm dưới lòng đất Canada, tại Đài nghiên cứu Neutrino Sudbury (SNO). Tổ hợp này nằm sâu tới 2 km trong một mỏ niken gần Sudbury, Ontario, gồm một quả cầu tròn chứa 1.000 tấn nước nặng, bên ngoài là các máy dò. Nhiệm vụ duy nhất của nó là phát hiện các dạng tương tác của neutrino.

Trong phân tử nước nặng, nguyên tử hydro được thay thế bằng đồng vị nặng deuterium. Khi một nguyên tử deuterium bị một electron-neutrino bắn phá, nó sẽ tách thành một proton và một neutron. Nhờ vậy, các máy dò đếm được số hạt này. Hai dạng còn lại của neutrino không thể bẻ gãy nguyên tử deuterium.

So sánh số hạt đếm được với một kết quả khác do máy dò ở Nhật Bản thực hiện, người ta thấy số lượng neutrino đếm được ở Nhật Bản nhiều hơn, gồm đủ cả 3 loại. Điều đó chứng tỏ trong hành trình bay đến Trái đất, electron-neutrino đã chuyển hóa thành moun-neutrino và tau-neutrino. Các nhà khoa học cũng cho rằng dù có số lượng rất lớn, tổng khối lượng của các neutrino lại rất nhỏ, do vậy chúng hầu như không thể ngăn chặn quá trình nở rộng của vũ trụ.