Neutrino năng lượng cao đến từ vũ trụ ppsx

12

Những bài báo vật lí hay – Tập 1 | © hiepkhachquay

Neutrino năng lượng cao đến từ vũ trụ
Per Olof Hulth

Giới thiệu
Loài người đã nghiên cứu vũ trụ trong hàng nghìn năm bằng cách nhìn vào bầu trời đêm
huyền diệu, được chỉ dẫn bởi ánh sáng nhìn thấy phát ra từ hằng hà sa số ngôi sao và những hiện
tượng khác. Trong thế kỉ vừa qua, những hình ảnh mới của bầu trời đêm đã được các nhà khoa
học khám phá bằng các bước sóng khác nhau của ánh sáng mà mắt trần không thể nhìn thấy, ví
dụ như sóng vô tuyến, ánh sáng hồng ngoại, tia X và tia gamma. Mỗi lần những cánh cửa mới
trong bầu trời đêm được mở ra, thì những hiện tượng bất ngờ mới lại được khám phá, ví như nền
vi sóng từ thời Big Bang, các sao neutron, các lõi thiên hà hoạt động (AGN), các lỗ đen, các đợt
bùng phát tia gamma (GRB) và các đối tượng hấp dẫn khác. Ngày nay, các nhà khoa học đang
bắt đầu mở ra một cánh cửa hoàn toàn mới bằng cách sử dụng một hạt cơ bản khác, hạt neutrino,
thay cho photon, đó là hạt cơ bản của ánh sáng dùng để nghiên cứu vũ trụ. Lĩnh vực mới này có
tên gọi là thiên văn học neutrino, hi vọng sẽ vén màn những hiện tượng mới chưa biết và giúp
chúng ta trả lời một vài câu hỏi mà chúng ta đang có ngày nay.
Neutrino
Neutrino là một hạt cơ bản, được đưa ra vào năm 1930 bởi Wolfgang Pauli, người đoạt
giải Nobel vật lí năm 1945, để giải bài toán khủng hoảng năng lượng trong vật lí hạt nhân. Các
nhà khoa học đã gặp khó khăn khi tìm năng lượng trong các phân rã phóng xạ và Pauli đề xuất
sự tồn tại của một hạt mà ông tin là nó đã mang khỏi phần năng lượng thiếu hụt. Nhưng phải mất
nhiều năm trước khi neutrino được phát hiện. Clyde Cowan và Frederick Reines là những người
đầu tiên phát hiện và nhận ra hạt này vào năm 1965. Cho sự đóng góp của ông, Reines đã được
trao giải Nobel vật lí năm 1995.
Neutrino là một hạt khó hiểu không có điện tích và chỉ tương tác với vật chất qua lực hạt
nhân yếu. Trong những năm gần đây, người ta đã phát hiện thấy neutrino có một khối lượng nhỏ,
làm hạ bệ giả thiết trước đây rằng nó không có khối lượng. Trong mặt trời, vô số neutrino được

tạo ra trong quá trình nhiệt hạch khi bốn nguyên tử hydrogen chuyển hóa thành một nguyên tử
helium. Bất chấp số lượng lớn của neutrino, trung bình chỉ khoảng chừng một trong số này sẽ
tương tác với cơ thể người trong suốt một đời người. Dòng neutrino phát ra từ mặt trời tại bề mặt
trái đất là 6 x 10
10
neutrino/cm
2
/s. Các neutrino phát ra từ quá trình nhiệt hạch trên mặt trời có
thể đi qua vài năm ánh sáng của chất chì rắn trước khi bị vật chất hấp thụ. Tuy nhiên, xác suất
cho một neutrino tương tác với vật chất tăng theo năng lượng của neutrino.
© hiepkhachquay | 13

Có ba loại neutrino đã được quan sát thấy: electron neutrino (ν
e
), muon neutrino (ν
µ
), và
tau neutrino (ν
τ
). Các neutrino này liên quan tới ba hạt tích điện là electron, muon và hạt tau. Cả
sáu hạt đều gọi là lepton. Khi một neutrino tương tác với vật chất, nó có thể hoặc tiếp tục là
neutrino sau khi tương tác (“tương tác dòng trung hòa”) hoặc tạo ra hạt tích điện tương ứng
(“tương tác dòng tích điện”). Electron neutrino sinh ra electron, muon neutrino sinh ra muon, và
tau neutrino sinh ra lepton tau.

Một neutrino tương tác với một nguyên tử tạo ra một muon và một trận mưa các hạt có thời gian sống ngắn.
Trong một tương tác neutrino năng lượng cao, lepton tích điện sẽ tiếp tục hầu như theo
hướng cũ như neutrino tới. Trong vật chất, một electron được tạo ra trong tương tác sẽ dừng lại
sau vài mét, trong khi muon, với khối lượng lớn hơn của nó, sẽ tiếp tục đi thêm vài km tùy thuộc
vào năng lượng của nó. Xác định được hướng của muon sinh ra sẽ cho biết hướng của muon

neutrino trong vòng vài ba độ. Đây là chìa khóa để tìm hiểu thiên văn học neutrino năng lượng
cao.
Neutrino năng lượng cao và neutrino năng lượng thấp
Neutrino có thể chia thành hai loại, loại năng lượng cao và loại năng lượng thấp. Tất
nhiên, đây là một sự phân chia khá độc đoán, nhưng nó phản ánh quá trình tạo ra và cách thức
chế tạo máy dò hạt.
Neutrino năng lượng thấp chủ yếu sinh ra trong các quá trình hạt nhân, như các phản ứng
nhiệt hạch trên mặt trời hay tại tâm của sao siêu mới đang bùng nổ. Neutrino năng lượng cao chủ
yếu sinh ra trong các va chạm hạt năng lượng cao tạo ra các meson có thời gian sống ngắn, phân
hủy thành neutrino và các hạt khác.
Trong thang chia vật lí hạt, các neutrino năng lượng thấp có năng lượng trong khoảng
hàng chục MeV (mega electron Volt), còn các neutrino năng lượng cao có năng lượng trên hàng
chục GeV (giga electron Volt).
Các nguồn neutrino
Neutrino mặt trời
Từ trước đến nay, chỉ có hai nguồn neutrino ngoài địa cầu được quan sát thấy. Cả hai đều
là nguồn neutrino năng lượng thấp. Nguồn thứ nhất là mặt trời mà từ đó Raymond Davis Jr,
người đoạt giải Nobel vật lí năm 2002, đã thành công trong việc bắt trung bình nửa tương tác
electron neutrino mỗi ngày trong máy dò hạt của ông trong suốt 20 năm.
14

Những bài báo vật lí hay – Tập 1 | © hiepkhachquay

Neutrino sao siêu mới
Nguồn thứ hai của các neutrino ngoài địa cầu được quan sát thấy trong 10 s vào năm
1987 khi một ngôi sao trong Đám mây Magellan Lớn bùng nổ dưới dạng sao siêu mới, sau này
mang tên là SN1987. Các neutrino phát ra từ phần bên trong của sự co sập lại chạm đến trái đất
sau hành trình 170.000 năm, một vài giờ trước khi ánh sáng tới. Các neutrino có thể truyền thẳng
ngay hay kém trực tiếp hơn từ trung tâm co sập ở phần bên trong của ngôi sao, nhưng tác động
của vụ nổ không thể nhìn thấy ở bề mặt ngôi sao mãi cho đến sau này. Khoảng 25 tương tác

neutrino đã được quan sát thấy bởi các máy dò hạt tại Kamiokande (Nhật Bản), Baksan (Liên Xô)
và IMB (Mĩ) trong suốt 10 s. Loại quan sát này của các neutrino phát ra từ mặt trời và sao siêu
mới đã đưa ra một loại thiên văn học mới, vì neutrino cung cấp cho chúng ta thông tin về những
quá trình xảy ra ở sâu bên trong các vật bị ẩn mất khi nhìn bằng ánh sáng khả kiến hay photon
nói chung.

Tinh vân Con cua là tàn dư của một vụ bùng nổ sao siêu mới năm 1054. Trong đợt bùng phát khủng khiếp, 99%
năng lượng được giải phóng dưới dạng các neutrino không nhìn thấy.
Neutrino phát ra từ các nguồn tia vũ trụ không xác định
Một luận cứ chắc chắn cho sự tồn tại của các neutrino năng lượng cao đến từ vũ trụ là sự
quan sát thấy các tia vũ trụ năng lượng cao.
Các hạt cấu thành hạt nhân, chúng truyền qua không gian sâu thẳm trong nhiều triệu năm,
liên tục bắn phá bầu khí quyển của trái đất. Khi va chạm với khí quyển của trái đất, các hạt đó
sinh ra những trận mưa với nhiều hạt có thời gian sống ngắn. Tại bề mặt trái đất, chúng ta quan
sát thấy tàn dư của các trận mưa hạt dưới dạng khoảng 100 muon/m
2
/s. Các máy dò hạt bề mặt
rất lớn ngày nay đang đo cường độ và năng lượng của các tia vũ trụ. Dù cho đã khám phá ra tia
vũ trụ sớm tận năm 1912 bởi Victor Hess, người đoạt giải Nobel vật lí năm 1936, chúng ta vẫn
không biết chúng đến từ đâu. Chúng ta trông đợi đa số các hạt được tạo ra trong các vụ bùng nổ
sao siêu mới trong thiên hà cục bộ của chúng ta, nhưng các hạt tia vũ trụ có năng lượng quan sát
thấy cao nhất được cho là đến từ các nguồn không xác định bên ngoài thiên hà của chúng ta. Các
tia vũ trụ quan sát thấy năng lượng cao nhất có năng lượng 50 joule. Quá trình gia tốc mang lại
cho các hạt những năng lượng cực cao này không được rõ. Cả hai nguồn đã kể đều không phải là
© hiepkhachquay | 15

nguồn phát ra các hạt này. Năng lượng của các hạt tia vũ trụ cao nhất lớn hơn mười triệu lần so
với cái do máy gia tốc hạt mạnh nhất của thế giới LHC (Máy Va chạm Hadron Lớn) sẽ có khả
năng đạt tới khi nó bắt đầu hoạt động trong năm 2007 tại CERN, Geneva. Nếu người ta muốn
“xây dựng” một máy gia tốc cho proton với cùng năng lượng như các tia vũ trụ cao nhất trên cơ

sở các nam châm siêu dẫn LHC, thì kích thước của máy gia tốc sẽ lớn hơn quỹ đạo của trái đất
xung quanh mặt trời (LHC có chu vi 27 km). Vì tia vũ trụ tích điện nên chúng sẽ bị lệch hướng
bởi từ trường trong không gian. Điều này có nghĩa là hướng của tia vũ trụ không cho biết ngược
hướng của nguồn phát. Để phát hiện ra nguồn phát, người ta cần một hạt trung hòa điện như
neutrino không bị ảnh hưởng bởi từ trường. Tia vũ trụ với năng lượng hơn 10% cực đại năng
lượng quan sát thấy sẽ tương tác với nền vi sóng từ Big Bang và sẽ không thể truyền đi những
khoảng cách xa trong vũ trụ. Nguồn phát ra nó phải “gần”, không xa hơn 50 triệu năm ánh sáng,
đó là khoảng cách rất “ngắn” trong vũ trụ. Sự tồn tại của các tia vũ trụ năng lượng cực cao này là
một bí ẩn thật sự. Khi các proton va chạm với các photon nền vi sóng, các meson được tạo ra,
trong sự phân hủy của chúng sẽ sản sinh ra các neutrino năng lượng cao. Những hạt này được gọi
là neutrino GKZ (đặt theo tên Greisen, Zatseptin, và Kuzmin) và là nguồn bảo đảm của các
neutrino năng lượng cao ngoài địa cầu.
Các photon còn có xác suất bị hấp thụ bởi các photon nền vi sóng lớn hơn cả proton, điều
đó ngụ ý rằng vũ trụ không phải là trong suốt đối với các photon năng lượng rất cao.

Ảnh chụp tia X Centaurus A bằng vệ tinh Chandra. Cái đặc biệt với đối tượng này là lỗ đen tại tâm và dòng vật chất
hướng về phía góc trên bên trái của hình. Đây có phải là một nguồn phát neutrino năng lượng cao ?
Có vài ứng cử viên khả dĩ cho các nguồn phát tia vũ trụ năng lượng cao nhất. Hạt nhân
thiên hà hoạt động (AGN) là một thiên hà có một lỗ đen siêu trọng tại tâm. Lỗ đen đó có thể có
khối lượng lên tới một nghìn triệu lần khối lượng mặt trời. Từ tâm của những thiên hà này, một
cấu trúc dạng tia đã được quan sát thấy kéo dài hàng chục nghìn năm ánh sáng ra bên ngoài, phát
ra những lượng lớn năng lượng. Tia đó được tạo ra khi vật chất trong thiên hà rơi vào trong lỗ
đen. Các photon năng lượng cao đã được quan sát thấy từ những vật thể này và các proton cũng
được gia tốc. Một nguồn khả dĩ khác là những đợt bùng phát tia gamma (GRB) là những sự kiện
kì lạ phát ra một xung ngắn tia gamma trong một phần của giây và cho tới 100 s. Chúng là những
sự kiện giàu năng lượng tính nhất được quan sát thấy trong vũ trụ. Khoảng hai sự kiện như thế
xảy ra mỗi ngày. Chúng ở rất xa, với khoảng cách lên tới 10
10
năm ánh sáng. Lời giải thích khả
16

Những bài báo vật lí hay – Tập 1 | © hiepkhachquay

dĩ của những sự kiện này là các sao siêu trọng co sập lại thành lỗ đen hoặc hai sao neutron rơi
vào nhau. Các nguồn không rõ của các tia vũ trụ năng lượng cao sẽ tạo ra neutrino khi các proton
năng lượng cao được gia tốc va chạm với chất khí photon xung quanh nguồn, theo kiểu tương tự
như nền vi sóng vũ trụ. Các va chạm sẽ tạo ra meson, chúng phân hủy thành muon và neutrino và
muon sẽ phân hủy thành electron (positron) và hai neutrino. Những hạt neutrino này sẽ truyền đi,
không bị ảnh hưởng bởi từ trường trong không gian và nếu phát hiện được trên trái đất, chúng sẽ
chỉ ngược hướng nguồn phát ra các tia vũ trụ.
Dòng neutrino vũ trụ có thể ước tính từ sự quan sát tốc độ tia vũ trụ năng lượng cao và
người ta sẽ nhận thấy mình cần những máy dò hạt có kích thước hàng km
3
để bắt các neutrino!
Neutrino từ “vật chất tối”
Các neutrino năng lượng cao, mặc dù không cao như neutrino đề cập trong phần trước, có
thể sinh ra liên quan tới một quan sát kì lạ khác. Một trong những bí ẩn chủ yếu trong vật lí học
và thiên văn học ngày nay là “vật chất tối” trong vũ trụ. Các thiên hà và nhóm thiên hà quay như
thể chúng chứa nhiều vật chất hơn cái chúng ta có thể quan sát với các thiết bị thiên văn chuẩn
của chúng ta. Với chỉ vật chất khả kiến được quan sát thấy, các thiên hà sẽ tống khứ những ngôi
sao và vật chất ra ngoài không gian trống rỗng do chuyển động nhanh của chúng. Nhưng điều
này không xảy ra, cho thấy có nhiều vật chất trong những đối tượng này hơn cái chúng ta có thể
nhìn thấy. Chỉ có lực hấp dẫn là thứ cảm nhận được vật chất ẩn giấu không rõ này. Thứ vật chất
này được gọi là “vật chất tối”. Khoảng 30% năng lượng trong vũ trụ là nằm ở vật chất và phần
còn lại nằm ở dạng “năng lượng tối” không rõ, cái chúng ta sẽ không bàn tới trong bài viết này.
Những đo đạc gần đây do vệ tinh WMAP thực hiện cho thấy chỉ 4% năng lượng của vũ trụ là
cấu thành từ vật chất thông thường ở dạng các nguyên tử cấu tạo nên những ngôi sao và hành
tinh. Phần còn lại, chiếm 25% năng lượng toàn phần, là một loại vật chất mới cho tới nay chưa
biết.

Cụm thiên hà NGC2300 với ba thiên hà và một đám mây khí. Để giữ hệ thống ổn định về mặt hấp dẫn,
cần có khối lượng gấp khoảng 20 lần khối lượng quan sát thấy.
Một lời giải thích phổ biến khác của vật chất tối là phần lớn loại vật chất khác lạ này gồm
các hạt nặng tương tác yếu (WIMP) được tạo ra trong Big Bang đồng thời với vật chất thông
© hiepkhachquay | 17

thường của chúng ta. Ngày nay, các hạt này chảy xung quanh chúng ta và cấu thành phần thống
trị của vật chất trong các thiên hà của chúng ta. Khi chúng đi qua mặt trời và trái đất, chúng có
thể trở nên bị bắt hấp dẫn vào tâm của những vật thể này. Các hạt vật chất tối ở tâm của trái đất
và mặt trời sẽ tiêu diệt hay hủy lẫn nhau khi hai trong số chúng gặp nhau và tạo ra vật chất thông
thường cùng với các neutrino năng lượng cao, trong số những hạt khác. Năng lượng tiêu biểu của
những neutrino này cao hơn nhiều so với năng lượng của các electron neutrino tạo ra bởi quá
trình nhiệt hạch trên mặt trời. Khi quan sát neutrino phát ra từ tâm trái đất và/hoặc mặt trời,
người ta có thể biết thêm thông tin về vật chất tối. Đồng thời, đây là một khám phá rất quan
trọng đối với nền vật lí hạt cơ bản.
Neutrino khí quyển
Khi tia vũ trụ va chạm với bầu khí quyển, các hạt thời gian sống ngắn được tạo ra, chúng
phân hủy thành muon và muon neutrino, cùng nhiều hạt khác. Các muon phân tán khắp bề mặt
trái đất và bị hấp thụ vài chục km vào trái đất. Tuy nhiên, neutrino có thể dễ dàng đi qua toàn bộ
trái đất và chúng tương ứng với một nền neutrino đối với neutrino vũ trụ. Đồng thời, chúng có
thể dùng cho kiểm nghiệm kính thiên văn neutrino. Vì neutrino vũ trụ được trông đợi là có, về
trung bình, năng lượng cao hơn neutrino khí quyển, nên phông nền này có thể làm chủ được.
Việc phát hiện neutrino năng lượng cao
Có bao nhiêu neutrino được phát hiện ?
Để phát hiện neutrino năng lượng cao đến từ vũ trụ, người ta buộc phải xét đến cơ hội
cực kì nhỏ rằng neutrino sẽ tương tác với vật chất. Cách duy nhất làm được việc đó là sử dụng
lượng rất lớn vật chất trong dò tìm. Càng sử dụng nhiều vật chất (trong máy dò), neutrino sẽ
tương tác càng nhiều. Vì chi phí của máy dò hạt phải hạn chế, nên người ta chọn vật chất có sẵn
trong tự nhiên, như nước và băng, làm chất dò hạt. Người ta trang bị cho thể tích máy dò các bộ
cảm quang đặt theo những kiểu hình học lớn và khai thác thực tế là các hạt tích điện chuyển

động nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong vật chất đó phát ra ánh sáng Cherenkov (đặt tên theo công
trình nghiên cứu của Pavel A. Cherenkov, Il’ ja M. Frank và Igor Y. Tamm, các nhà đoạt giải
Nobel vật lí năm 1958) trong một hình nón xung quanh hạt chuyển động. Vì neutrino trung hòa
điện nên chúng sẽ không phát ra ánh sáng Cherenkov, nhưng các hạt tích điện do tương tác sinh
ra sẽ phát ra ánh sáng. Vật chất được chọn cho môi trường máy dò hạt phải rất trong suốt đối với
ánh sáng.
Các bộ cảm quang trong thể tích máy dò hạt sẽ quan sát thời gian tới và cường độ của
ánh sáng Cherenkov phát ra từ muon. Sử dụng thông tin này, người ta có thể xác định hướng của
các neutrino trong chừng vài độ. Một trở ngại đối với loại kính thiên văn này là dòng muon từ
các tương tác tia vũ trụ trong bầu trời phía trên kính thiên văn lớn hơn nhiều so với lượng muon
trông đợi từ các tương tác neutrino. Để làm giảm phông nền này, kính thiên văn đó phải đặt sâu
trong nước hay tảng băng, với các bộ phận máy dò hạt nhìn xuống xuyên qua trái đất. Trái đất
18

Những bài báo vật lí hay – Tập 1 | © hiepkhachquay

được sử dụng làm bộ lọc hấp thụ các muon khí quyển. Chỉ những muon nào tiến đến xuyên qua
trái đất mới được chấp nhận là muon đến từ các tương tác neutrino bên dưới kính thiên văn.
Yêu cầu thể tích lớn của môi trường rất trong suốt và tốc độ chậm của dòng muon khí
quyển dẫn đến thực tế là các kính thiên văn neutrino chỉ có thể xây dựng ở những nơi rất đặc biệt;
ở sâu dưới hồ hay đại dương, sâu cỡ 4000 m hay nằm sau dưới khối băng kếch sù ở Nam Cực.
Kính thiên văn neutrino năng lượng cao
Có hai kính thiên văn neutrino năng lượng cao đang thu thập dữ liệu hiện nay – máy dò
hạt Baikal ở hồ Baikal và Loạt máy dò muon và neutrino Nam Cực (AMANDA), kính thiên văn
neutrino lớn nhất đặt tại Nam Cực.

Một muon đến từ tương tác neutrino ở kính thiên văn AMANDA tại Nam Cực.
AMANDA gồm 677 máy dò ánh sáng triển khai ở 19 lỗ sâu trong tảng băng ở nền
Amundsen-Scott tại Nam Cực. Lí do chọn nơi rất kì lạ này là tảng băng dày 3 km đó có lớp băng
trong suốt về mặt quang học nhất trên trái đất và nước Mĩ đóng căn cứ tại Amundsen-Scott. Các

máy dò sáng được triển khai bằng cách cho tan chảy các lỗ trong băng, đường kính 60 cm và sâu
hơn 2000 m. Khi nước tràn đầy lỗ thì khoan được lấy ra và các bộ dò sáng được triển khai trước
khi nước đông đặc trở lại (quá trình mất khoảng 1 tuần). Kích thước hiệu quả của kính thiên văn
là cao 400 m và đường kính 200 m. Kính thiên văn AMANDA phát hiện 3-4 neutrino mỗi ngày,
phù hợp với số lượng mong đợi của neutrino khí quyển.
Kính thiên văn neutrino kích thước hàng km
3

Khi phát hiện ra neutrino khí quyển, kính thiên văn neutrino Baikal và AMANDA đã
chứng minh rằng kĩ thuật máy dò hạt Cherenkov cỡ lớn đã trưởng thành và sẵn sàng sử dụng cho
tìm kiếm neutrino năng lượng cao đến từ vũ trụ. AMANDA, kính thiên văn neutrino lớn nhất
đang hoạt động hiện nay, có khả năng quan sát neutrino vũ trụ trong những năm tới nhưng có lẽ
không đủ lớn.
© hiepkhachquay | 19

Một vài dự án chế tạo kính thiên văn neutrino có kích thước như yêu cầu đang được triển
khai. Dự án tiên tiến nhất là IceCube, đã bắt đầu triển khai tại cùng địa điểm như AMANDA ở
Nam Cực. IceCube sẽ gồm 80 loạt máy dò sáng (tổng cộng 4800) sâu từ 1450 đến 2450 m tại
cùng địa điểm với AMANDA. Thể tích máy dò sẽ là một km khối và loạt đầu tiên đã được triển
khai thành công vào tháng 1 năm 2005. Việc triển khai máy dò hạt đó sẽ mất 6 năm, nhưng dữ
liệu sẽ được ghi nhận cùng với kính thiên văn AMANDA ngay từ năm đầu tiên.
Ở vùng Địa Trung Hải, có ba dự án, Thiên văn học với Kính thiên văn neutrino và
Nghiên cứu môi trường trong lòng trái đất (ANTARES) ngoại vi Toulou ở Pháp, Kính thiên văn
neutrino tàu ngầm mở rộng với Nghiên cứu Hải dương học (NESTOR) ngoại vi Pylos ở Hi Lạp,
và Đài quan trắc neutrino Địa Trung Hải (NEMO) ngoại vi Sicily ở Italy. Các máy dò hạt
ANTARES và NESTOR, với những phiên bản đầu tiên, nhắm tới mục tiêu đạt được kích thước
bằng kính thiên văn AMANDA tại Nam Cực. Một kính thiên văn neutrino lớn ở bán cầu bắc sẽ
là một sự bổ sung rất đẹp cho kính thiên văn neutrino một km
3
IceCube tại Nam Cực.

Kính thiên văn neutrino ANTARES ở Địa Trung Hải
Các máy dò hạt neutrino kích thước còn lớn hơn nữa
Có những dự án khác đang triển khai nhằm phát hiện ra các tương tác neutrino năng
lượng cao ở những thể tích máy dò hạt còn lớn hơn 1 km
3
.
Mục tiêu chính là phát hiện nhiều
neutrino GZK sinh ra khi các tia vũ trụ năng lượng cao nhất va chạm với nền vi sóng từ thời Big
Bang. Những máy dò hạt này đang ghi nhận sóng vô tuyến phát ra trong các tương tác neutrino.
Nguyên nhân sử dụng sóng vô tuyến thay cho ánh sáng quang Cherenkov là sóng vô tuyến có thể
truyền đi lâu hơn trong vật chất mà không bị hấp thụ, cho phép thể tích máy dò hạt lớn hơn. Tuy
nhiên, ngưỡng năng lượng neutrino cho kĩ thuật này cao hơn nhiều đối với kính thiên văn đã nói
ở phần trên, và chúng chủ yếu nhạy với tương tác của các electron neutrino năng lượng cao.
Dự án Thí nghiệm Cerenkov băng vô tuyến (RICE) đã nghiên cứu kĩ thuật sóng vô tuyến
ở Nam Cực tại địa điểm AMANDA. Một dự án lí thú khác là Loạt xung lực nhất thời Nam Cực
(ANITA) là một thí nghiệm khí cầu ở Nam Cực. Khí cầu với các máy thu vô tuyến ANITA sẽ lưi
thông ở độ cao 37 km trong vài hành trình (30 ngày) trên các tảng băng và tìm kiếm tương tác
neutrino năng lượng cao trong băng. “Thể tích máy dò” sẽ là hàng nghìn km khối.

20

Những bài báo vật lí hay – Tập 1 | © hiepkhachquay


Tìm kiếm tương tác neutrino năng lượng cao trong băng với thí nghiệm khí cầu ANITA

Một thể tích máy dò hạt còn lớn hơn nữa được sử dụng trong dự án GLUE tìm kiếm sóng
vô tuyến phát ra từ các tương tác neutrino trên bề mặt mặt trăng. Cuối cùng, có hai dự án vệ tinh,
Đài quan sát không gian vũ trụ rất xa (EUSO) và Máy thu ánh sáng góc rộng quỹ đạo (OWL),

được đề xuất nhằm tìm kiếm các tương tác neutrino trong bầu khí quyển với thể tích máy dò hạt
vài nghìn kilomet khối.
Tóm lại
Cuộc săn tìm neutrino năng lượng cao đến từ vũ trụ chỉ mới bắt đầu và, trong tương lai
gần, chúng ta hi vọng sẽ biết được những sự thật lí thú mới về vũ trụ đầy quyến rũ của chúng ta.
Nguyên bản: High Energy Neutrinos from the Cosmos (nobelprize.org)
hiepkhachquay dịch
An Minh, Xuân Mậu Tý 2008
01/02/2008, 18:06:53