tiểu luận tìm hiệu về hạt nơtrinô

Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 5 năm 2007
MỞ ĐẦU
Nơtrinô là hạt bí ẩn nhất trong số các hạt mà ta biết được trong vũ trụ chúng
cũng là những hạt ít được biết đến nhất. . Nó luôn cho ta nhiều bất ngờ. Các tiên
đoán về sự tồn tại của hạt bí ẩn này về phương diện lý thuyết đã được Wolfgang
Pauli công bố từ những năm 1930 nhưng mãi đến hơn 25 năm sau, năm 1956,
nhóm nghiên cứu của nhà bác học Clyde Cowan mới ghi nhận được sự tồn tại của
hạt này trong thực nghiệm.
Sau sự phát hiện ra hạt bí ẩn này, các nhà vật lý đã dành khá nhiều thời gian
để nghiên cứu các tính chất, đặc điểm cũng như các ứng dựng của hạt nơtrinô. Hạt
nơtrinô không chỉ được ứng dụng khi quan sát các quá trình phóng xạ mà còn là
một trong những tác nhân quan trọng giúp cho các nhà thiên văn vật lý quan sát
nhân mặt trời. Mặt Trời cũng bức xạ vô số nơtrinô, sinh ra trong các phản ứng
nhiệt hạch trong lòng của mình. Các nơtrinô này được sinh ra chỉ một lọai, nhưng
trong quá trình di chuyển đến Trái Đất, chúng lại biến qua hai loại kia một cách bí
ẩn.
Hơn nữa, việc thu nhận các bức xạ từ ngoài vũ trụ (trong đó có nơtrinô) là
một trong những nguồn nghiên cứu của các nhà bác học nhằm tìm hiểu lịch sử
hình thành vũ trụ cũng như khám phá thêm các bí ẩn về cuộc sống này.
Gần đây, một số nghiên cứu đã công bố một số khám phá mới về hạt nơtrinô. Cụ
thể là nơtrinô có khối lượng chứ không phải là không khối lượng nhưng đã được
tiên đoán. Các nơtrinô có khối lượng, nhưng hạt nơtrinô nặng nhất cũng chỉ bằng
một phần triệu khối lượng của hạt tích điện nhẹ nhất. Việc neutrino có khối lượng
nhỏ như vậy có thể là do chúng nhận được khối lượng từ một quy luật vật lý còn
chưa biết, có thể liên quan đến lực thống nhất. Việc khảo sát chi tiết các tính chất
hạt nơtrinô - khối lượng, cách thức chúng biến từ lọai này qua loại kia, và chúng
có phải là phản hạt của chính mình không, v.v… - sẽ cho ta biết nơtrinô có phải là
hạt vật chất thông thường không, hay lại là cái gì khác.
Như vậy, ngành vật lý có thêm một hướng mới cũng như có thêm một nhiệm
vụ mới, giải thích sự tồn tại khối lượng của hạt này trong các mô hình vũ trụ.
Ngoài ra, Các nhà khoa học cần suy tính tới việc các quá trình vật lý trước đây có

sự thay đổi hay không khi xuất hiện hạt nơtrinô có khối lượng?
Trong tiều luận này, việc nghiên cứu hạt nơtrinô chỉ nhằm mục đích có thêm
nhiều thông tin về hạt này. Do đó, tiểu luận bao gồm những nội dung chính sau
đây:
- Lịch sử khám phá ra hạt nơtrinô
- Các đặc tính của hạt nơtrinô
- Các nguồn phát nơtrinô chủ yếu
- Việc thu nhận hạt nơtrinô trong các phòng thí nghiệm trên thề giới
I. Lịch sử khám phá ra hạt nơtrinô
1. Giai đoạn trước nơtrinô
Lịch sử khám phá ra hạt nơtrinô gắn liền với quá trình phóng xạ vì vậy
trước hết cần điểm qua vài móc lịch sử trước khi con người tìm ra nơtrinô.
Năm 1896 Henri Becquerel phát hiện ra hiện tượng phóng xạ từ các muối
Urani, sau đó vợ chồng nhà bác học Pierre và Marie Curie đã tách được
Radi nguyên chất, một nguyên tố phóng xạ mạnh hơn Urani. Năm 1899
Rutherford đã chỉ ra có hai loại phóng xạ là alpha và beta, đến năm 1900
Villard đã tìm ra loại thứ ba gọi là phóng xạ gamma. Năm 1902, vợ chồng
Pierre và Marie Curie đã xác nhận chum phóng xạ beta thực chất là chùm
electron, liên tiếp bản chất các chùm phóng xạ alpha cũng được xác nhận là
các hạt nhân của He, và phóng xạ gamma là những photon mang năng
lượng lớn (vài MeV).
Chùm phóng xạ beta (là các electron) được tiên đoán chỉ là chùm
electron được giải phóng đáng lý phải có giá trị năng lượng phù hợp với
định luật bảo toàn. Tuy nhiên, sau khi nghiên cứu kĩ lưỡng, nhóm khoa học
Lise Meitner, Otto Hahn, Wilson and von Baeyer, James Chadwick đã chỉ
ra rằng năng lượng của các electron nằm trong miền liên tục. Việc tiếp tục
tin vào định luật bảo toàn năng lượng hay không là một vấn đề được bàn
cãi thời bấy giờ. Nhà bác học Niels Bohr vẫn tin vào định luật tổng quát
này nhưng phải đợ đến năm 1930, Wolfgang Pauli mới đưa ra lời giải cho
bài toán này.

2. Giai đoạn 1930 – 1940: khai sinh ra nơtrinô
Hiện tại, chúng ta được biết hạt nơtrinô đã từng có 15 tỉ năm về trước,
sau khi vũ trụ ra đời. Từ lúc đó, vũ trụ lien tục giãn nở, lạnh đi và các nơtrinô
bắn theo mọi hướng. Về phương diện lý thuyết, các nơtrinô này hiện nay rất
nhiều và chúng tham gia cấu thành bức xạ nền vũ trụ (nhiệt độ khoảng 1.9K).
Ngoài ra các hạt nơtrinô khác cũng được sinh ra trong các ngôi sao hay trong
các vụ nỗ.
Tuy nhiên, ý tưởng về nơrinô chỉ xuất hiện vào năm 1930, khi Pauli
đang ra sức bảo vệ định luật bảo toàn năng lượng. Ngày 4 tháng 12 năm
1930, tại hội thảo ở Tubingen, Pauli đã đọc tham luận của mình trong đó có
nêu ra ý tưởng về hạt mới. Năm 1932, J. Chadwick phát hiện ra hạt nơtron,
tuy nhiên nơtron nặng và khong phù hợp với các tiên đoán của Pauli. Năm
1933, tại hội nghỉ ở Bruxelles, Pauli mô tả hạt này như sau:
“Khối lượng của chúng nhẹ hơn nhiều rất lần khối lượng electron. Để
phân biệt với hạt nơtron, ông Fermi đã đề nghị gọi là nơtrino (neutrinos).
Khối lượng của chúng cò thề bằng không, tôi chắc rằng spin bằng 1/2. Chúng
ta không biết gì về tương tác của chúng với những hạt vật chất khác và với
photon. Giả thiết chúng có thể có momen từ.”
Năm 1933, F.Perrin chỉ ra rằng khối lượng của nơtrinô phải nhỏ rất nhiều
khôi lưởng của electron. Trong năm đó, Anderson khám phá ra hạt positron,
phản hạt đầu tiên của vật chất đã được Dirac tiên đoán lý thuyết. Khám phá
này càng làm cho lý thuyết về nơtrinô của Pauli và Fermi thêm đảm bảo.
Cuối năm 1933, Frederic Joliot-Curie phát hiện ra phóng xạ beta cộng (phát
ra positron), trong khi đó Enrico Fermi đã dùng già thiết về nơtrinô để xây
dựng lý thuyết về hiện tượng phân rã bêta (trong tương tác yếu). Cuộc truy
tìm hạt nơtrinô bắt đầu nhưng mọi người vẫn chưa thật sự quyết tâm đến khi
Hans Bethe và Rudolf Peierls chỉ ra tiết diện tán xạ của nơtrinô với vật chất
rất nhỏ: nhỏ hơn một tỉ lần so với tương tác của electron. Vì vậy, hạt nơtrnô
tương tác quá yếu nên nó có thể đi xuyên qua trái đất mà không bị lệch
hướng.

3. Giai đoạn 1935 – 1956
Đến cuối những năm 40, các nhà vật lý đã nổ lực để quan sát sự tán
xạ ngược của nuclon trong suốt quá trình phân rả beta của nó. Tất cả các
đại lượng đo đượng đều phù hợp với giả thiết chỉ một loại nơtrinô được
phát ra từ electron. Tuy nhiên, không một phương quan sát nào có thể ghi
nhận được do xác suất tương tác quá nhỏ. Các nhà bác học cần một nguồn
rất lớn các hạt nơtrinô và các thiết bị thăm dò cũng rất lớn, rất nhạy. Năm
1939, Luis Alvarez cho thấy Triti (đồng vị hydro) có tính phóng xạ, và đến
bây giờ nguồn phóng xạ beta từ Triti vẫn được sử dụng và cho giá trị khối
lượng nơtrinô tốt nhất.
Năm 1945, quả bom nguyên tử đầu tiên phát nổ và các nhà bác học
đã nhận ra một nguồn năng lượng đáng kể từ nơtrinô. Frederick Reines,
đang làm việc tại Los Alamos, trao đổi với Fermi về dự án đặt máy dò
nơtrinô gần khu vực bom nổ. Năm 1952, Reines gặp Clyde Cowan và đã
đồng ý sử dụng một nguồn nơtrinô an toàn hơn, dự án hạt nhân của
Hanford, Washington. Các máy thăm dò lặp tức được xây dựng và cho kết
quả vào mùa hè năm 1953. Tuy nhiên, tín hiệu cho ra không thuyết phục.
Họ đã cố gắng thực hiện lại các thí nghiệm cho đến năm 1956 gần sông
Savannah, Bắc Carolina. Các cải tiến lần này nhằm giảm tín hiệu nền và đã
cho kết quả mĩ mãn. Các tín hiệu có thể thấy rõ qua máy dò trên nền bức xạ
vũ trụ.

Máy detecctor trong thí nghiệm năm 1953
4. Giai đoạn 1957 – 1962
Các nơtrinô được phóng ra trong các phản ứng hạt nhận chỉ là một loại
nơtrinô, gọi là nơtrinô electron, vì chúng thường đi kèm với electron trong
phân rã bêta. Có hay không các loại nơtrinô khác?
Năm 1959, tại trường đại học Columbia, New York, đã bắt đầu xuất hiện
các í tưởng về các loại nơtrinô khác. T.D. Lee và M. Schwartz nhận thấy
khả năng sinh ra chùm nơtrinô từ phân rã của pion. T.D. Lee và C.N.

Yang đã tính toán tiết diện tán xạ và đã có được máy thăm dò lý tưởng cho
các thí nghiệm và kiểm chứng số lượng tử duyên do J. Cronin đề xướng.
Năm 1960, Lee và Yang đã chứng minh rằng phản ứng loại
e
µ γ
− −
→ +

không xảy ra vì có hai loại nơtrinô tồn tại. Cùng thời điểm đó, máy gia tốc của
Brookhaven thu nhận được hàng trăm ngàn nơtrinô trên giờ nhưng chỉ khoảng 40
hạt được máy dò thu nhận. 6 trên 40 trường hợp được ghi nhận như electron, 34
hạt còn lại ghi nhận như muon. Vậy nơtrinô là một hạt khác vì nếu chúng cùng
loại thì máy dò phải cho ra số lectron bằng số muon.
5. Giai đoạn 1963 – 1983.
Khoảng những năm 60 và 70, electron và nơtrinô được sử dụng để tìm hiểu cấu
trúc của nuclon. Những bằng chứng cho thấy có thể nuclon có cấu trúc quark vì
vậy việc tìm ra hạt quark liên quan mật thiết đến hạt nơtrinô. Năm 1975 và 1976,
các thí nghiệm tại CERN đã cho kết quả khả quan về cấu trúc quark của nuclon.
Năm 1977, nhóm Leon Lederman đã phát hiện ra hạt quark b, đó là hạt quark
thứ ba. Cũng trong thời gian đó, Martin Perl phát hiện ra hạt tau
τ
, là hạt lepton
thứ ba. Các nhà vật lý nhận thấy có hạt nơtrinô tau
τ
ν
nhưng đến năm 1998, vẫn
không quan sát được bằng thực nghiệm.
6. Giai đoạn 1989 – 2000
Năm 1989, khi sử dụng một máy gia tốc mới tại CERN để nghiên cứu thời gian
sống hạt Z boson đã chỉ ra rằng chỉ có ba loại nơtrinô tồn.

Năm 1992, hai thí nghiệm tại CERN được xây dựng nhằm ghi nhận nơtrinô dao
động với hi vọng sẽ thấy được
τ
ν
trong chum
µ
ν
sinh ra trong máy gia tốc. Các
dữ liệu được lấy từ năm 1994 và đến năm 1998 mới cho kết quả ban đầu.
Cũng trong năm 1998, các thí nghiệm ở Nhật Bản, Super-Kamiokande, đã cho
thấy sự bất thường trong số hạt nơtrinô khí quyển và nơtrinô mặt trời. Kết quả
này cho dự đoán là nơtrinô có thể có khối lượng khác không. Đến mùa hè năm
2000, phòng thí nghiệm DONUT của Fermilab công bố đã ghi nhận được hạt
τ
ν
.
Nghiên cứu nơtrinô va chạm proton.
II. Các đặc tính hạt nơtrinô
- Spin và điện tích: Nơtrinô có spin bán nguyên nên nó là hạt fermion. Vì
là hạt lepton trung hoà điện, nên nơtrinô không tham gia tương tác mạnh
cũng như tương tác điện từ, chỉ thông qua tương tác yếu và hấp dẫn.
- Các đo đạt các đặt tính của hạt nơtrinô chủ yếu dựa vào việc quan sát
phân rã của hạt Z boson. Hạt Z này có thể phân rã ra bất kì loại nơtrinô
nào và phản hạt của nó và có thể có nhiều loại nơtrinô hơn, có thời gian
sống ngắn hơn hạt Z. Việc đo đạt thời gian sống của hạt Z chỉ ra có 3 loại
nơtrinô nhẹ ( nghĩa là có khối lượng nhỏ hơn 1/2 khối lượng hạt Z). Trong
mô hình chuẩn, sử tương quan giữa 6 quark và 6 lepton (trong đó có 3
nơtrinô) đã hướng các nhà vật lý tới suy nghĩ là có 3 loại nơtrinô. Tuy
nhiên, những bằng chứng thực chất của vấn đề tại sao chỉ có bai loại
nơtrinô vẫn là bài toán chưa có lời giải thoả đáng.

Fermion Kí hiệu Khối lượng
Thế hệ thứ nhất (electron)
Nơtrinô electron
e
ν
<2.2 eV
Phản hạt nơtrinô electron
e
ν
<2.2 eV
Thế hệ thứ hai (muon)
Nơtrinô muon
µ
ν
<170 keV
Phản hạt nơtrinô muon
µ
ν
<170 keV
Thế hệ thứ ba (tau)
Nơtrinô tau
τ
ν
<15.5 MeV
Phản hạt nơtrinô tau
τ
ν
<15.5 MeV
- Moment từ spin:
Việc đo moment từ spin của nơtrinô đã được thực hiện tại các phòng thí

nghiệm hạt nhân (năm 1976 tại Reines, 1992 Krasnoiarsk ) bằng cách quan
sát sự tán xạ của chùm nơtrinô lên các electron trong nguyên tử. Với cách
này, các nhà thực nghiệm chỉ có thể đo đạt được cận trên của moment từ cho
e
ν
là 5,8.10
-20
MeV/Tesla. Việc đo đạt các đại lượng này cho
µ
ν
và
τ
ν

được làm từ các thí nghiệm trong máy gia tốc. Kết quả cụ thể :
• Với
e
ν
:
10
1,8.10
B
µ µ
−
<
• Với
µ
ν

10

7,4.10
B
µ µ
−
<
]
• Với
τ
ν

7
4,2.10
B
µ µ
−
<
- Khối lượng nơtrinô: Theo mô hình chuẩn, nơtrinô được giả thiết là không có
khối lượng, mặt dù việc thêm khối lượng của nơtrinô vào mô hình không phải
quá khó. Trên thực tế, tất cả các hiện tượng giải thích các thí nghiệm yêu cầu
khối lượng của nơtrinô bằng không. Tuy nhiên, theo mô hình thuyết Big Bang
tiên đoàn phải tồn tại một tỉ lệ phù hợp giữa số hạt nơtrinô và số photon trong
bức xạ nền vũ trụ. Nếu tổng năng lượng của ba loại nơtrinô vượt quá giá trị
trung bình 50 eV/nơtrinô, khối lượng trong vũ trụ sẽ quá nhiều dẫn tới suy sụp.
Giá trị giới hạn có thể được loại trừ nếu giả thiết nơtrinô không bền, tuy nhiên
với mô hình chuẩn thì điều này rất khó xảy ra. Một yêu cầu nghiêm ngặt khác
từ việc phân tích các số liệu từ vũ trụ như bức xạ nền vũ trụ, việc nghiên cứu
ngân hà, và phổ Lyman-alpha…cho thấy khối lượng nơtrinô phải nhỏ hơn 0.3
eV. Năm 1998, kết quả nghiên cứu tại máy dò nơtrinô Super-Kamiokande xác
định rằng thực chất nơtrinô có những dao động “mùi” vì vậy có khối lượng.
Các thí nghiệm chỉ nhạy với sự sai biệt bình phương khối lượng. Sự sai biệt

này rất nhỏ, nhỏ hơn 0.05 eV (vào năm 2005). Hơn nữa, những yêu cầu ngụ ý
rằng nơtrinô nặng nhất có khối lượng ít nhất là 0.05 eV nhưng không lớn hơn
0.3 eV. Ước lượng chính xác nhất cho sự khác biệt bình phương khối lượng
của hai trạng thái của nơtrinô vào năm 2005 của nhóm KamLAND là
2 2
21
0.000079 ( )m eV∆ =
. Năm 2006, phòng thí nghiệm MINOS đo đạt sự dao
động từ chùm nơtrinô tau mạnh xác định sự sai biệt bình phương khối lượng
của hai trạng thái 2 và 3 là
2 2
21
0.0031( )m eV∆ =
phù hợp với kết quả của Super-
Kamiokande. Những nổ lực gần đây của các nhóm là xác định thang khối
lượng tuyệt đối của nơtrinô trong phòng thí nghiệm. Các phương pháp được áp
dụng bao gồm phân rã beta hạt nhân.
Quan sát các tia vũ trụ
*Một vài kết quả nghiên cứu của các nhóm:
Khối lượng của
e
ν
(đơn vị eV) được xác định trong phân rã beta của Triti
Ta thấy kết quả của Mainz và Trosisk chấp nhận được.
- Tính phân cực: Các kết qủa thực nghiệm cho thất tất cả nơtrinô có phân cực
trái (spin ngược chiều với moment) và các phản hạt nơtrinô đều phân cực phải.
Trong giới hạn không khối lượng, chỉ có một hướng phân cực được quan sát.
Tuy nhiên, sự tồn tại của nơtrinô có khối lượng làm cho vấn đề thêm phức tạp
một chút. Nơtrinô được sinh ra trong tương tác yếu như trạng thái riêng của
toán tử phân cực. Tuy nhiên, tính phân cực của nơtrinô có khối lượng không

phải là không thây đổi trong quá trình chuyển động. Những nơtrinô tự do
truyền đi như trạng thái chồng chập của hai trạng thái riêng phân cực trái và
phân cực phải.
- Sự chuyển đổi qua lại giữa các nơtrinô:
Các hạt quark thật sự không phải là độc lập với nhau, có trạng thái trộn giữa
các trạng thái đơn lẽ này. Tương tự các hạt nơtrinô cũng vậy, nếu chúng có
khối lượng thì nơtrinô chuyển động trong không gian thật chất là trạng thái pha
trộn giữa ba trạng thái
e
ν
,
µ
ν
và
τ
ν
theo các qui luật lượng tử. Điều này
gọi là sự dao động giữa các nơtrinô. Sự chuyển đổi qua lại giữa các thế hệ
nơtrinô có thể giúp để giải thích sự thiếu hụt trong các số liệu quan sát được
của dòng nơtrinô mặt trời và cũng là mộttrong những bằng chứng cho thấy
nơtrinô có khối lượng. Nhiều thí nghiệm trong các nhà máy hạt nhân cũngnhư
trong các máy gia tốc đã cố gắng để thăm dò hướng này hơn 20 năm nhưng
vẫn chưa cho kết quả khả quan. Gần đây, từ năm 1996 ngày càng nhiều công
trình về sự chuyển đổi được công bố.
III. Các nguồn nơtrinô
1. Nơtrinô mặt trời:
Các nơtrinô này được sinh ra trong các quá trình nhiệt hạch trong các sao, có
năng lượng khá nhỏ. 85% nơtrinô được sinh ra trong phản ứng
2
1 e

p p H e
ν
+
+ → + +
• Việc nghiên cứu lý thuyết về nơtrinô mặt trời: Tổng số hạt nơtrinô có thể
được tính chính xác nhưng phổ năng lượng lại chứa nhiều bất định. Chuỗi
phản ứng như sau
Và kết quả phổ năng lượng
• Nghiên cứu thực nghiệm: các nghiên cứu thực nghiệm chủ yếu dựa vào
phương pháp hoá xạ. Trong đó nơtrinô tham gia các phản ứng
hoặc

Và sau đó dựa vào tính phóng xạ của hạt nhân Ar hoặc Ge xác định những đại
lượng cần tính.
2. Nơtrinô sinh ra từ các hoạt động của con người
Trong các nơtrinô này có những hạt mang năng lượng cao được tạo từ các máy
gia tốc và các hạt năng lượng thấp sinh ra trong các phản ứng hạt nhân. Loại
đầu tiên có thể đạt năng lượng 110GeV dùng để nghiên cứu cấu trúc nuclon và
tương tác yếu. Loại thứ hai được tạo ra trong nhân của các lò phàn ứng ( một lò
hạt nhân chuẩn có thể phát ra
20
5.10
nơtrinô/giây) và có nănglượng 4MeV. Các
nơtrinô này được sử dụng đầu tiên để thăm dò và đưa các giá trị giới hạn cho
nơtrinô dao động.
3. Nơtrinô từ trái đất
Từ khi trái đất sinh ra, đã có sẵn các hạt nhân nguyên tử có tính phóng xạ,
chúng gọi là phóng xạ tự nhiên. Các chất phóng xạ này khá quan trọng nhưng
ít được biết đến, các đóng góp chính của chúng là giữ vật chất dưới lớp vỏ trái
đất ở trạng thái nóng chảy. Công suất của các phóng xạ này khoảng 20000

Giga Wat (tương đương 20000 nhà máy hạt nhân), các nơtrinô sinh ra rất nhiều
khoảng 6 triệu/giây/cm
2
. Tuy nhiên các nơtrinô này thường bị hoà lẫn vào
trong các nơtrinô được sinh ra trong các nhà máy hạt nhân.
4. Nơtrinô từ các tia vũ trụ
Khi các tia vũ trụ xuyên qua khí quyển, nó sẽ tương tác với hạt nhân nguyên tử
và sẽ sinh ra các “cơn mưa hạt”. Cũng tuân theo các qui luật sinh ra nơtrinô
trong các phòng thì nghiệm, các nơtrinô được tạo ra và gọi là nơtrinô khí
quyển. Một vài phòng thí nghiệm như Kamiokande và Super-Kamiomande ờ
Nhật đã quan sát sự dao động của các nơtrinô này và cho kết quả năm 1998
khả quan.
5. Nơtrinô từ Big Bang
Mô hình chuẩn của Big Bang dự đoán, giống như photon, cũng có bức xạ nền
của nơtrinô. Cho đến hiện tại, các nơtrinô này vẫn chưa được tìm thấy. Các
nơtrinô này rất nhiều, khoảng 330 nơtrinô/ cm
3
. Năng lượng của các nơtrinô
này khá nhỏ (khoảng 0.0004 eV) vì vậy mà không có thí nghiệm nào, mặt dù
rất lớn có thể nhận ra chúng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. />2. />3. />4. />5. />