Tín hiệu Ban Sơ của Tạo Hoá
#1
Đã Thấy Sóng Hấp Dẫn Ban Sơ Của Tạo Hoá(1)
Nguyễn Xuân Xanh


Điều quả không thể hiểu được ở vũ trụ là nó có thể hiểu được.
ALBERT EINSTEIN

Chúng ta đang sống trong thời của những ngọn gió vũ trụ thổi dồn dập vào hồn. Bản giao hưởng vũ trụ do con người viết lấy có thêm những giai điệu mới. Hai năm trước, lần đầu tiên boson Higgs đã được con người nhìn thấy. Thế giới ăn mừng. Đó là hạt cơ bản cực kỳ nhỏ bé nhưng lại có nhiệm vụ “gia trì” cho mọi thứ vật chất thấy được trong vũ trụ để tồn tại, trong đó có bản thân chúng ta. Kỳ diệu thay.

Giai điệu đó chưa dứt thì ngày 17. 3.2014 vừa qua nhóm nghiên cứu BICEP2 dưới sự lãnh đạo của các giáo sư GS John Kovac, Clem Pryke, Jamie Bock và Chao-lin Kuo tuyên bố trong một cuộc họp báo tại Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithson rằng sóng hấp dẫn từ buổi ban sơ của lịch sử vũ trụ: từ thời điểm 10-34, tức là một phần tỉ tỉ tỉ tỉ giây giây sau big bang (hãy tưởng tượng giây phút vi phân này!), đã được con người nhìn thấy! Kinh ngạc và kỳ diệu thay! Đó là giai đoạn mà, theo thuyết big bang, vũ trụ từ một bào thai vô cùng nhỏ nhưng với một năng lượng cực lớn trong khoảnh khắc đã phát triển đột biến thành “lạm phát” một phát kiến tình cờ nhưng vĩ đại của Alan Guth và chuyển động với tốc độ hơn ánh sáng theo đủ mọi hướng. Đó là thời kỳ “chuyển dạ” và “đau đẻ” của tạo hóa. (2)

Thần Vệ nữ không còn dấu diếm được bí mật cuộc sinh nở của mình.

Tại buổi buổi họp báo ở Harvard các nhà khoa học hàng đầu nói lên sự đồng tình của mình: khám phá sóng hấp dẫn ban sơ của nhóm nghiên cứu BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) rất xứng đáng với giải Nobel.

Làm sao con người có thể đứng trên quả đất bằng hạt bụi này giữa biển thiên hà trùng trùng điệp điệp lại có thể “nhìn thấy” những gì xảy ra ở lúc big bang cách đây 13.7 tỉ năm ánh sáng? Bức xạ của vũ trụ ban đầu, sau ngần ấy thời gian và khoảng đường, đã nhạt yếu đi nhiều và xoắn lại, nằm trong những mẫu vân bị phân cực của sóng vi ba vũ trụ, được biết dưới tên kiểu-B. Vậy mà con người vẫn còn nhận ra được. Điều đó giống như tìm được kim dưới đáy biển!

Cho đến nay, các nhà vật lý chỉ quan sát được bức xạ nền (cosmic microwave background radiation, đơn giản CMB) ở dạng sóng điện từ của vũ trụ từ thời điểm năm thứ 380.000, một trạng thái thực ra vẫn còn là “sơ sinh” của vũ trụ. Đó cũng chính là một dạng tàn dư của Big Bang. Vào thời điểm đó vũ trụ tiếp tục giãn nở nhưng nguội dần để cho các nguyên tử hydro và helium hình thành và vật chất kết tinh lại thành sao, thiên hà. Do sự kết tinh đó, các đám mây bức xạ trở thành “quang đãng” trong vũ trụ, ánh sáng mới truyền đi được không phải bị cản trở, người ta có thể quan sát dễ dàng hơn. Đi ngược về trước, người ta chỉ thấy “sương mù”. Bức xạ nền này được quan sát hết sức tình cờ bởi hai nhà vật lý Mỹ Arno Penzias và Robert Wilson của Bell Labs 50 năm trước. Dĩ nhiên, hai ông được tưởng thưởng giải Nobel sau đó.

Các nhà khoa học từng có ý nghĩ rằng bức xạ nền này có thể chứa đựng dấu vết của sóng hấp dẫn ban sơ. Vệ tinh COBE nhận thấy có những thăng giáng nhỏ xíu trong cái biển phẳng lặng của bức xạ nền. Martin White và Lawrence Krauss năm 1992 cho rằng các sóng hấp dẫn của Big Bang đã làm cho bức xạ nền “gợn sóng”. Chính sự gợn sóng đó sẽ cho thông tin về sóng hấp dẫn ban sơ. Đó là đầu mối của các sự khảo sát.


[Image: 1buc-xa-nen.jpg]


Bản đồ của bức xạ vũ trụ nền (CMB) từ thời gian năm 380.000 sau Big Bang. (Nguồn NASA) Sự biến thiên màu sắc tương ứng với biến thiên nhiệt độ của vũ trụ trẻ: đó là những hạt giống cho các vì sao và thiên hà ngày nay chúng ta quan sát. Các nhà thiên văn học nghi ngờ ẩn chứa trong bức tranh này là dấu ấn thứ hai có thể tiết lộ cho chúng ta sóng hấp dẫn ban sơ: ánh sáng bị phân cực. Một sóng hấp dẫn sẽ ép không-thời gian lại theo một hướng (vũ trụ sẽ nóng hơn tí), và giãn nó ra theo một hướng khác (vũ trụ nguội hơn tí). Các photon của ánh sáng sẽ tán xạ với một chiều ưa thích, để lại một dấu ấn chút ít phân cực trên CMB khi sóng hấp dẫn đi qua. Khám phá các mẫu phân cực còn có thể cung cấp một chứng cứ rằng ngay sau Big Bang vũ trụ giãn nở với tốc độ hàm mũ, do đó bị lạm phát, với một hệ số ít nhất 1025. Lạm phát là cơ chế duy nhất có khả năng phóng đại các sóng hấp dẫn sinh ra từ các thăng giáng lượng tử trong lực hấp dẫn thành các tín hiệu có thể dò ra.

Có thể nói, một trong những điều thú vị là với BICEP2 các nhà vật lý đã “xộc” được vào vùng năng lượng cực kỳ cao của vũ trụ lúc lạm phát, 1016 gigaelectronvolt, vùng mơ ước của các máy gia tốc trên trái đất. Đấy cũng là vùng năng lượng mà ở đó theo thuyết Đại thống nhất (Grand Unified Theory, GUT) người ta tin rằng ba lực cơ bản của thế giới, điện từ, lực yếu và lực mạnh, trở thành một thể thống nhất không phân biệt được. Hơn nữa, nếu những sóng hấp dẫn diễn ra trong giai đoạn của các thăng giáng lượng tử của lạm phát, điều đó có nghĩa rằng, trong giai đoạn đó, hấp dẫn và lượng tử được thống nhất làm một, điều bao người đã mơ ước? Thuyết hấp dẫn lượng tử (quantum gravity) có cơ sở, cũng như việc lượng tử hóa hấp dẫn vào một cội nguồn.




[Image: 2thidu-song.jpg]
Thí dụ sóng hấp dẫn như sóng gợn trong tấm vải
không-thời gian (Courtesy of Brian Greene)




[Image: 3bigbang.png]


Lịch trình các giai đoạn phát triển của vũ trụ.

1- là giai đoạn các sóng hấp dẫn được sinh ra trong những thăng giáng lượng tử ngay sau big bang.
2- Sóng được phóng đại lên bởi lạm phát thành những tín hiệu.
3- Sóng được in hằn thành những mẫu vân của bức xạ nền của sóng vi ba vũ trụ. (Courtesy of Sean Carroll)

Ai phát hiện ra sóng hấp dẫn này đầu tiên? Đó là Albert Einstein. Ông đã nghiên cứu sóng này năm 1916 dựa trên các phương trình trường của thuyết tương đối rộng của ông vừa hoàn tất, được trình bày trước Hàn lâm viện Khoa học Phổ, và việc nghiên cứu kéo dài đến 1918. Theo ông, vật chất ở dạng khối lượng hay năng lượng gây ra độ cong của không-thời gian bốn chiều, làm cho nó không còn là hình học phẳng Euclid nữa, mà phi-Euclid cong. Nếu khối vật chất đó biến động, nó sẽ gây ra sóng của các độ cong và truyền đi trong không-thời gian, giãn ra và co lại (3). (Khác với sóng điện từ truyền trong không gian 3 chiều) Sóng hấp dẫn giống như một cuộc động đất trong không-thời gian. Một supernova nổ cũng gây ra các sóng hấp dẫn. Có thể tưởng tượng một cô gái ngồi trên cầu đung đưa hai chân trên mặt nước gây ra các đợt sóng. Các sóng hấp dẫn sẽ tạo nên sự phân cực trong bức xạ nền, gây ra “gợn sóng” bức xạ nền, và nhóm BICEP2 đã tìm thấy dấu ấn của chúng trong đó. Sự quan sát này là cực kỳ khó khăn. Do năng lượng hấp dẫn truyền đi trong không gian ngày càng yếu đi, giống như ánh sáng.

Einstein hoài nghi con người có thể quan sát được chúng.

Năm 1969 Joseph Weber tin rằng mình đã khám phá sóng hấp dẫn bằng cách sử dụng những thiết bị thô sơ gồm hai thanh aluminum treo trong chân không. Khi một sóng hấp dẫn đến, nó sẽ làm giãn chúng ra theo chiều thẳng góc với sóng và ép chúng lại. Stephen Hawking cũng muốn chế tạo thiết bị dò thử để kiểm tra kết quả ngạc nhiên của Weber. Nhưng dĩ nhiên tất cả không đơn giản như thế.


[Image: 4song-2.jpg]


Hai người khám phá đầu tiên sự tồn tại của sóng hấp dẫn (thông qua việc sử dụng kính thiên văn radio) là Joseph Taylor và Russell Hulse vào năm 1974 từ một cặp sao neutron (một trong đó là pulsar) có chuyển động quanh nhau (4). Trong khi đó, các thiết bị dò được chế tạo rất nhạy cảm từ những năm 1970, trong đó có các máy dò LIGO, nhạy cảm cả mười triệu lần hơn thiết bị thô sơ của Weber, nhưng cho đến 2013 vẫn chưa có sự phát hiện nào tin cậy về sóng hấp dẫn ban sơ. Nhưng sóng hấp dẫn ban sơ phải đợi đến BICEP2 mới giải quyết được, như được công bố ngày 17.3 vừa qua.



[Image: 5venus.jpg]
Thần Vệ nữ, Sinh nở. Tác phẩm của Sandro Botticelli (Wiki).





[Image: 6becip2.jpg]
Viễn vọng kính BECIP2 ở phía trước, đón nhìn ‘sóng chuyển dạ’ của vũ trụ.
(Steffen Richter/Associated Press)



Lịch sử vũ trụ học có ba thuyết khác nhau.Thuyết đầu tiên là thuyết big bang của Georges Lemaître và George Gamov những năm 1920 thế kỷ trước dựa trên thuyết tương đối rộng Einstein. Thuyết thứ hai của Fred Hoyle về một thế giới “tĩnh” (Steady State) mà TS Nguyễn Trọng Hiền gọi là “trạng thái vĩnh hằng”, không tiến hóa. Hoyle từ chối thuyết của Lemaître và Gamov mà ông gọi nó bằng cái tên “Big Bang”. Từ đó có cái tên lịch sử. Thuyết này chiếm được cảm tình của nhà thờ. Thuyết thứ ba của nhà vũ trụ học Cambridge Neil Turok là vũ trụ trải qua một chuỗi big bang không có khởi đầu và kết cục, do đó không có sóng ban sơ. Cho nên khám phá sóng hấp dẫn ban sơ là một chứng cứ mạnh mẽ nhất cho thuyết Big Bang. Với khám phá sóng hấp dẫn, Stephen Hawking cho rằng mình đã “thắng cược” trước Turok. Ông này vui và hồn nhiên thật. Mới năm rồi ông thua cược $100 vì hạt Higgs, bởi ông cá rằng không thể nào có cái gọi là hạt Higgs.



[Image: 7michel-ange.jpg]
Diogenes với chiếc đèn lồng. (Wiki)




[Image: 8galilei-350.jpg]
Galilei với chiếc kính viễn vọng trong tay (Wiki)



Vật lý từ thế kỷ 20 đầy những điều kỳ diệu, và còn tiếp tục. Khoảng một thế kỷ trước (1919), thế giới kinh ngạc khi các đoàn thám hiểm Anh công bố ánh sáng trên trời bị lệch đi trong vùng mặt trời theo đúng góc lệch của tiên đoán Einstein bằng thuyết tương đối rộng! Tòa nhà vật lý Newton lung lay, và Einstein qua đêm đã trở thành người “anh hùng toàn cầu”. Khoa học đã lần lượt vén những bức màn huyền bí che mắt, từng lớp, lớp thô trước, lớp tinh sau, và tạo ra những“‘cảm xúc vũ trụ” thi vị. “Chúng ta không là gì cả”, như nhà thơ Đức F. Hölderlin nói, “nhưng những gì chúng ta đi tìm là tất cả.” Michelangelo ơi, ông hãy sống lại mà tạc những cảm xúc vũ trụ này thành “tác phẩm thứ hai” của con người trong cuộc khám phá những kỳ bí của tạo hóa. Diogenes ơi, hậu sinh đã có cái đèn lồng mạnh mẽ có thể nhìn suốt đến cội nguồn rồi. Galilei ơi, cuộc cách mạng thiên văn bằng kính viễn vọng do ông gây ra hơn 400 năm trước gây chấn động châu Âu, giờ có năng lực nhìn thấy 13.7 tỉ năm ánh sáng về trước, gây chấn động thế giới. Chẳng phải là những điều kỳ diệu đầy chất thơ sao?



[Image: 9nguyentronghien-s.jpg]
TS Nguyễn Trọng HiềnJamie Bock (Caltech/JPL) trò chuyện với Robert Wilson (Harvard, phải), tại cuộc họp báo vừa qua. Wilson là một trong hai người phát hiện ra bức xạ nền 50 năm trước, thiết lập cơ sở thực nghiệm cho mô hình Big Bang. Wilson kể “Hoyle đến cuối đời vẫn không chấp nhận thuyết Big Bang.”


Khám phá sóng hấp dẫn diễn ra trước thềm kỷ niệm 100 năm thuyết tương đối rộng vào năm 2015 tới. Đối với cộng đồng Việt Nam khám phá này càng làm tăng thêm cung bậc cảm hứng khi một thành viên của nhóm BICEP2 là người Việt Nam, TS Nguyễn Trọng Hiền của Đại học Caltech. Cũng khó tưởng tượng nổi về mặt con người, một thanh niên của khúc ruột miền Trung nghèo khó, tay trắng và ngơ ngác từ chiếc thuyền tị nạn được phép đặt chân lên nước Mỹ hoa lệ lại có cái đam mê thánh thiện như bẩm sinh của “thánh hiền khoa học”, vượt mọi khó khăn từ khoảng cách hụt hẫng to lớn của hai nền văn hóa trong nỗi nhọc nhằn và nước mắt, can đảm chấp nhận mọi thử thách để làm một cuộc viễn du cô đơn vào những miền cội nguồn của vũ trụ. Và giờ đây Anh là một trong những người đầu tiên nhìn thấy ánh sáng của giây phút ban sơ, lúc thời gian, không gian và năng lượng quyện nhau trong một bào thai bắt đầu cuộc khởi động dữ dội như đau đẻ để tạo thành vụ trụ bình yên hôm nay. Những giây phút trải nghiệm đó, niềm vui đó, lên đến tột đỉnh, chắc chắn không gì quý hơn trong cuộc đời đối với Anh. Anh giống như một hậu duệ của Columbus, ngày nào bước lên chiếc thuyền ở bờ biển Việt Nam để làm cuộc hành trình định mệnh không biết về đâu nhưng để rồi cuối cùng, chung sức với các đồng đội mình trên con thuyền mạo hiểm BICEP2, khám phá cả một vương quốc mới trên trời cho nhân loại. Cuộc mạo hiểm Biển Đông đã biến thành cuộc mạo hiểm Vũ trụ thắng lợi. Xin chúc mừng và có lời khâm phục Anh.


N.X.X
Tháng Ba, 2014
vietsciences.free.fr

__________________________

(1) Một phần của bài này đã được đăng trên Tuổi Trẻ Cuối Tuần ngày 30-3-2014. Xin đọc thêm bài trả lời phỏng vấn authentique của TS Nguyễn Trọng Hiền trong số đó.
(2) TS Hiền cho biết cuộc kiểm tra vừa qua diễn ra ở băng tần 150 GHz. Sắp tới sẽ có thêm một cuộc kiểm tra ở băng tần 100 GHz. Lúc đó mới có kết luận chung cuộc.
(3) Henri Poincaré dường như đã đề cập sóng này năm 1908 lúc chưa có thuyết tương đối rộng của Einstein. Ông nói, trong một thuyết hấp lực tương đối tính, có thể có sự phát ra các “ondes d’acceleration” (sóng gia tốc).
(4) Điều thú vị là hai sao này ngày càng tiến gần nhau theo hình xoắn ốc, rất chậm, do chính các sóng hấp dẫn chúng phát ra liên tục tông (ngược) vào chúng; và mỗi năm chúng gần nhau 2,7 phần tỉ khoảng cách chúng, đúng theo tiên đoán của định luật Einstein. “Khi các sóng hấp dẫn truyền vào không gian, chúng gây ra một phản lực lên các sao, như phản lực tác dụng lên cây súng khi súng vừa bắn ra”, Kip Thorne giải thích. “Phản lực của các sóng đẩy các sao vào gần nhau và ngày càng nhanh hơn, nghĩa là phản lực làm cho các sao chuyển động chầm chậm theo đường xoắn ốc vào nhau.” Không gì khác hơn có thể giải thích, ngoài các cú tông bằng sóng hấp dẫn khiến cho các sao này tiến gần nhau, như Kip Thorne viết. Taylor và Hulse nhận được giải Nobel năm 1994.

Reply
#2
Tìm thấy nguồn phát bí ẩn của "hạt ma" sau một thế kỷ dò tìm

Các nhà khoa học lần đầu tiên tìm ra nguồn phát của một hạt neutrino mang năng lượng cao, hé lộ nhiều điều về bí ẩn kéo dài một thế kỷ xung quanh loại hạt này.

Neutrino là các hạt hạ nguyên tử gần như không có điện tích, do đó nó hiếm khi tương tác với môi trường xung quanh. Trong thực tế, những hạt này hay còn được gọi là "hạt ma", liên tục chảy qua cơ thể chúng ta hàng tỷ hạt mỗi giây mà ta không hề hay biết hay cảm nhận được.

Hầu hết các hạt neutrino ở Trái Đất có nguồn gốc từ Mặt Trời, nhưng có một phần nhỏ chúng có nguồn gốc từ những nơi xa thẳm nhất trong vũ trụ. Tính khó nắm bắt vốn có của chúng khiến các nhà khoa học không thể truy tìm nguồn gốc của chúng, mãi cho đến tận hôm nay.

Đài quan sát IceCube Neutrino tại Nam Cực và một số đài quan sát khác trên khắp thế giới đã cùng nhau theo dõi một neutrino xuất phát từ một nơi xa xôi, là một thiên hà elip khổng lồ với một hố đen có khối lượng siêu lớn quay cực nhanh ở trung tâm.

Chưa dừng lại ở đó, các neutrino vũ trụ này di chuyển cùng với các tia vũ trụ - những tia được tạo thành từ các hạt mang năng lượng cao tràn vào Trái Đất liên tục. Vì thế, các máy dò không chỉ bắt được một neutrino vũ trụ, mà còn nhận được những tia vũ trụ siêu tốc.

Trở lại năm 1912, các nhà thiên văn thời đó luôn thắc mắc về các tia vũ trụ khi chúng được lần đầu tiên phát hiện vào thời điểm này. Lúc bấy giờ, những hạn chế trong kiến thức của con người về tính chất của hạt, khiến tia vũ trụ trở nên bí ẩn như bao thiên thể khác trong vũ trụ.

“Chúng tôi đã tìm kiếm nguồn phát ra các tia vũ trụ này trong suốt một thế kỷ và cuối cùng đã tìm ra”, Francis Halzen, nhà khoa học dẫn đầu nghiên cứu này tại Đài quan sát IceCube Neutrino và là giáo sư vật lý tại Đại học Wisconsin-Madison, cho biết.



[Image: nguon-phong-neutrino.jpg]
Đồ họa mô phỏng về nguồn phát vừa phóng ra neutrino đồng thời với tia vũ trụ với tốc độ nhanh khủng khiếp. Lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của đĩa bồi đắp thiên hà sẽ phóng ra dòng vật chất mạnh mẽ vào không gian và vuông góc với đĩa thiên hà. (Ảnh: DESY, Science Communication Lab).


Thành quả đến từ nỗ lực của cộng đồng

Mọi chuyện bắt đầu từ IceCube, một máy dò với độ nhạy cao được chôn sâu khoảng 1,5km bên dưới các lớp băng dày đặc ở Châu Nam Cực. Hệ thống này bao gồm 86 dây cáp, mỗi sợi cáp giữ 60 module có chức năng quang học siêu nhạy, chúng dò được ánh sáng một rất nhạy.

Máy dò này được thiết kế để thu nhận ánh sáng lam đặc trưng phát ra từ một neutrino khi nó tương tác với một hạt nhân nguyên tử. Ánh sáng này có được là do một hạt thứ cấp khác được tạo ra sau tương tác. Máy dò được chôn sâu để những lớp băng bên trên ngăn các hạt không phải neutrino làm tạp nhiễm kết quả đo.

“Để nhận được tín hiệu từ một lực tương tác vô cùng nhỏ của neutrino, các nhà vật lý đã phải xây dựng một máy dò cực kỳ lớn”, tiến sĩ Susan Cartwright, nhà vật lý hạt tại Đại học Sheffield cho biết. Suốt một năm, máy dò chỉ thu nhận được vài trăm hạt neutrino, nhưng chúng rất ít khi tương tác với môi trường xung quanh.

Đo đạc được các neutrino khi chúng tương tác với xung quanh là một bước tiến gần hơn để xác định được nguồn gốc của chúng. Các nhà khoa học ví việc này khó như tìm ra một con đom đóm giữa đêm pháo hoa sáng rực rỡ.

Trước khi thực hiện phát hiện này, IceCube đã ghi nhận được các neutrino ở bên ngoài Ngân Hà. Các nhà nghiên cứu đã không xác định chính xác được nguồn gốc của chúng vào thời điểm đó.

Nhưng vào ngày 22 tháng 9 năm 2017, một trong những neutrino ở xa xôi trong vũ trụ đã xuất hiện ở thiết bị dò. Chúng mang năng lượng cực kỳ cao, vào khoảng 300 teraelectron volt, gấp 50 lần so với năng lượng của proton khi đi qua máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới.

Trong vòng một phút sau khi được phát hiện, máy dò đã gửi đi một thông báo cho các nhà thiên văn trên khắp thế giới để tìm và hướng ống kính quan sát về vùng trời đó nhằm tìm kiếm các bằng chứng để xác định được nguồn gốc xuất phát của hạt neutrino này.

Gần 20 kính thiên văn ở mặt đất và trong không gian đã quét vùng trời đó bằng mọi phổ điện từ, từ sóng vô tuyến năng lượng thấp cho đến tia gamma năng lượng cao. Các quan sát này khi kết hợp lại với nhau đã bắt được nguồn gốc của neutrino bí ẩn, nguồn phát của nó được gọi là TXS 0506+056, nằm cách Trái Đất khoảng 4 tỷ năm ánh sáng.

Lật lại hồ sơ lưu trữ, nhóm nghiên cứu ở IceCube đã tìm thấy nhiều neutrino vũ trụ khác từng được quan sát vào cuối năm 2014 và đầu năm 2015 cũng dường như xuất phát từ đó và có cùng một nguồn gốc.

“Bằng cách kết hợp tất cả các quan sát của các đài quan sát trên mặt đất và ngoài không gian, chúng ta đã có được bằng chứng đầy thuyết phục về một nguồn phát neutrino có dồi dào năng lượng, và đi kèm với nó là những tia vũ trụ năng lượng cao”, Albrecht Karle, nhà khoa học tại IceCube và là giáo sư vật lý tại Đại học UW-Madison, cho biết.


[Image: ice-cube.jpg]
Đồ họa mô phỏng được vẽ lại dựa trên hình ảnh thật của IceCube, trạm quan sát các neutrino đặt bên dưới 1,5km của các lớp băng dày tại Nam Cực. (Ảnh: IceCube/NSF)


Vũ trụ ngày càng đa dạng các loại thiên thể

Nguồn phát mà chúng ta vừa phát hiện được là một thiên hà siêu sáng đặc biệt đang hoạt động mạnh mẽ phóng ra ngoài đồng thời cả ánh sáng và hạt, một trong hai thứ đó nhắm trực tiếp đến Trái Đất. (Điều này giải thích tại sao chúng ta nhận được tín hiệu rất mạnh từ chúng.)

Các nhà thiên văn đã xác định được hàng ngàn nguồn phát như vậy trong vũ trụ nhưng không một nguồn phát nào trong số chúng phóng ra các neutrino như TXS 0506+056. “Đây quả là một nguồn phát đặc biệt và chúng ta có trách nhiệm phải tìm ra bí mật của nó”, Halzen cho biết thêm.

Không chỉ xác định được nguồn phát này thật sự phóng ra các neutrino, mà các nhà khoa học còn mong muốn biết được cơ chế giúp nó tăng tốc. Làm thế nào mà nguồn phát này lại phóng đồng thời cả neutrino và tia vũ trụ vào không gian với tốc độ khủng khiếp như vậy?

Halzen bày tỏ sự lạc quan về việc chúng ta sẽ tìm được câu trả lời cho các câu hỏi này trong tương lai gần. Trong tương lai, chúng ta sẽ sử dụng hai loại tín hiệu khác nhau để khám xét vũ trụ, như cách mà chúng ta đã làm trong nghiên cứu này.

Phát hiện ra neutrino cũng giúp hé lộ được các bí ẩn khác mà ta đang theo dõi. Vào tháng 10 năm 2017, các nhà nghiên cứu thông báo rằng họ đã phân tích được sự va chạm giữa hai sao neutron siêu nặng bằng cách quan sát các bức xạ điện từ và sóng hấp dẫn phát ra từ chúng.

“Thời đại của vật lý vũ trụ đa dạng thức là đây. Mỗi dạng thức, từ bức xạ điện từ, sóng hấp dẫn rồi giờ là neutrino, đều cho chúng ta những hiểu biết hoàn chỉnh hơn về vũ trụ và những hiểu biết mới quan trọng về các thiên thể, các sự kiện mạnh mẽ nhất trên bầu trời”, France Cordova, giám đốc của Quỹ Khoa học Quốc gia, cơ quan quản lý IceCube, cho biết.


13 July, 2018
Theo khoahoc.tv

Reply
#3
Đã có lời giải cho hạt neutrino 'ma quái'

Các nhà vật lý xác nhận rằng neutrino - loại hạt hạ nguyên tử được xem là đóng vai trò cơ bản trong sự tạo thành vũ trụ - có khối lượng.
Đây là phát hiện lớn đầu tiên của phòng thí nghiệm Main Injector Neutrino Oscillation Search (Minos), trụ sở tại Mỹ.

Phát hiện chứng tỏ rằng Mô hình Chuẩn - mô tả hành vi và sự tương tác của những "viên gạch" của vũ trụ - cần phải được xem xét lại.

Neutrino là một trong số các hạt cơ bản cấu thành vật chất. Chúng thường được xem là “ma quái” do có thể xuyên qua vũ trụ, bầu khí quyển trái đất và chính trái đất mà hầu như không tương tác với vật chất thông thường. Điều này khiến việc nghiên cứu chúng hết sức khó khăn.

Neutrino chia thành 3 dạng: electron, moun và tau.



[Image: gtoc1.jpg]
Đầu tiên, các hạt neutrino được bắt xuyên qua một máy đếm hạt tại Phòng thí nghiệm Fermilab. (Ảnh: BBC)


Để kiểm tra đặc tính của chúng, các nhà khoa học đã tạo ra các neutrino moun tại Phòng thí nghiệm gia tốc quốc gia Fermi (Fermilab) ở Illinois, Mỹ. Một chùm hạt năng lượng cao này được bắn xuyên qua một máy đếm hạt ở đây, sau đó tới một máy đếm hạt khác ở cách đó 742 km trong một hầm mỏ bỏ hoang tại Soudan, Mỹ.

"Vì chúng hiếm khi tương tác với vật chất, nên chúng tôi có thể bắn chúng xuyên thẳng qua trái đất, và hầu hết bay đi mà không gây ra ảnh hưởng gì", tiến sĩ Lisa Falk Harris, thành viên của nhóm Minos cho biết.


[Image: gtoc2.jpg]
Kết quả là số hạt neutrino đến máy đếm ở Soudan ít hơn dự kiến. (Ảnh: BBC)


Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã xác nhận rằng số hạt được phát hiện tại hầm mỏ Soudan ít hơn số được phóng đi. Một số đã thực sự "biến mất". "Điều chúng làm là chuyển sang một dạng neutrino khác", Harris nói.

Các nhà vật lý gọi quá trình chuyển từ một dạng neutrino sang một dạng khác là flavour oscillation (hay dao động phảng phất). Và để thực hiện quá trình chuyển đổi này, về lý thuyết vật lý hạt cho rằng chúng cần có khối lượng.

"Thực tế là chúng tôi nhìn thấy chúng 'biến mất' và chúng thực hiện sự chuyển đổi nhỏ đó, có nghĩa chúng phải có khối lượng", tiến sĩ Falk Harris nhấn mạnh.

Đây là kết quả đầu tiên của thí nghiệm tại Minos, liên quan đến các nhà khoa học từ 32 viện nghiên cứu ở 6 quốc gia. Nó cũng xác nhận các quan sát trước đây về "sự biến mất" của các hạt neutrino, tìm thấy năm 2002 bởi phòng thí nghiệm K2K của Nhật Bản.

Các bằng chứng củng cố cho thấy neutrino có khối lượng sẽ ảnh hưởng sâu sắc đến vật lý hạt. "Trong vật lý hạt, Mô hình Chuẩn cho biết các neutrino không có khối lượng. Vì thế, thực tế mà chúng tôi tìm thấy có nghĩa rằng Mô hình Chuẩn này sẽ phải được xét lại hoặc phải được thay thế bằng một cái gì khác".

Về lâu dài, phát hiện cũng có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn phần "khối lượng mất tích" bí ẩn trong vũ trụ.


Theo BBC & VnExpress
Reply
#4
Dao động Neutrino và trang vật lý mới

Hai nhà vật lý Takaaki Kajita (Nhật Bản) và Arthur B.McDonald (Canada) – đồng chủ nhân giải Nobel Vật lý năm 2015 - đã phát hiện được hiện tượng biến hóa trên đường bay của neutrino. Kết quả này sẽ mở một trang mới cho vật lý các hạt cơ bản và vũ trụ học. 

Neutrino là một hạt fermion với spin = ½, không có điện tích, khối lượng rất bé và có ba hương vị (flavor): neutrino-electron, neutrino-muon và neutrino-tau tùy theo việc neutrino đi kèm với electron, hay muon, hay tau trong các phân rã.

Neutrino xuất phát từ Big Bang, từ các quá trình xảy ra trong không gian, trên Trái đất, từ Mặt trời, từ bùng nổ các siêu tân tinh (supernovas), từ các lò phản ứng hạt nhân và từ các phân rã phóng xạ tự nhiên. Số lớn neutrino đến mặt Trái đất là từ các phản ứng hạt nhân trên Mặt trời. Sau photon - hạt của ánh sáng - neutrino là một hạt kỳ diệu và có rất nhiều trong vũ trụ.

Takaaki Kajita (với thiết bị Super Kamiokande - SK, xem hình 1) và Arthur B.McDonald (với thiết bị Subbury Neutrino Observatory - SNO, xem hình 2) đã phát hiện được hiện tượng biến hóa (thay đổi hương vị) trên đường bay (mid-flight metamorphosis) của neutrino. Kết quả này sẽ mở một trang mới cho vật lý các hạt cơ bản và vũ trụ học.

Cuộc săn đuổi này được tiến hành ở sâu trong lòng đất với những thiết bị khổng lồ có hàng nghìn con mắt nhân tạo để ghi đo neutrino.


[Image: nbvl1.jpg]



Hình 1. Thiết bị Super-Kamiokande ghi đo neutrino khí quyển. Số neutrino-muon  đến từ phía trên nhiều hơn số neutrino-muon đã đi xuyên qua Trái đất. Như vậy  số neutrino-muon đi quãng đường xa hơn đã thay đổi hương vị trên đường bay.



[Image: nbvl2.jpg]


Hình 2. Thiết bị SNO (Ontario, Canada) ghi đo neutrino từ Mặt trời. Phát hiện  số neutrino-electron nhỏ hơn dự đoán. Kết luận là: một số neutrino-electron  đã thay đổi hương vị trên đường bay.

Năm 1998, Takaaki Kajita đã phát hiện sự biến hóa - thay đổi hương vị trên dường bay - của neutrino nhờ detector SK tại Nhật. Các neutrino này xuất hiện tương tác giữa tia vũ trụ và khí quyển Trái đất.

Cùng thời các nhà khoa học tại SNO (Sudbury Neutrino Observatory), Canada dưới sự lãnh đạo của Arthur B.McDonald nghiên cứu neutrino từ Mặt trời cũng đã chứng minh được các neutrino đã thay đổi hương vị trên đường bay.

Hai thí nghiệm trên đều phát hiện ra hiện tượng mới quan trọng - sự dao động của neutrino tức sự biến hóa giữa các hương vị. Cơ học lượng tử buộc rằng muốn có dao động thì các neutrino phải có khối lượng khác nhau. Đây là một điều trái với Mô hình chuẩn (Standard Model - SM) của các hạt cơ bản thiết lập trước đây, theo SM thì neutrino không có khối lượng.

Hiện nay chưa ai có thể tiên đoán hết tầm quan trọng của hiện tượng dao động neutrino đối với vật lý hạt cơ bản và vũ trụ học.


CÁC TÍNH CHẤT CỦA HẠT NEUTRINO

Danh từ neutrino (tiếng Ý có nghĩa là neutron nhỏ) là tên do Enrico Fermi đặt cho hạt này. Neutrino phát sinh từ phân rã của các hạt phóng xạ (xem hình 3).



[Image: nbvl3.jpg]


Hình 3. Các hạt nhân phóng xạ có phân rã beta: tritium (một đồng vị của hydrogen) phân rã thành helium 3, một neutron biến thành proton và một phản neutrino. Neutrino tương tác rất yếu với các hạt khác. Ứng với mỗi neutrino có một hạt phản neutrino (xem hình 4).



[Image: nbvl4.jpg]

Hình 4. Neutrino và phản hạt của nó là phản neutrino 

Hạt neutrino trong mô hình chuẩn SM là một hạt trái, điều này có nghĩa là spin và xung lượng chuyển động ngược chiều với nhau (xem hình 5) còn đối với phản neutrino thì đó là một hạt phải (spin hướng đồng chiều với xung lượng).


[Image: nbvl5.jpg]

Hình 5. Neutrino trái và phản neutrino phải

Khái niệm trái và phải không có ý nghĩa đối với các hạt như electron vì tính trái và phải sẽ biến thành ngược lại trong một hệ quy chiếu khác. Song đối với neutrino vì chúng chuyển động với tốc độ gần tốc độ ánh sáng nên không tìm được hệ quy chiếu để biến trái thành phải được vì vậy đối với neutrino tính trái và phải là bất biến Lorentz.

Hạt neutrino được tiên đoán bởi nhà vật lý người Áo Wolfgang Pauli năm 1930 lúc nghiên cứu phân rã beta: Tôi đã làm một việc khủng khiếp là tiên đoán sự tồn tại của một hạt mà có thể không ghi đo được, Pauli đã phát biểu như vậy.

Thực tế neutrino có thể ghi đo được nhờ những cố gắng đặc biệt của các nhà vật lý. Neutrino không ở trong thành phần cấu tạo nguyên tử, neutrino cũng không tham gia vào các quá trình hóa học. Neutrino không mang điện, có khối lượng rất bé, khoảng một phần triệu khối lượng electron. Neutrino là hạt đã làm kinh ngạc thế giới trong 80 năm qua. Hiện nay cũng còn những vấn đề còn bỏ ngỏ đối với neutrino. Nhiều câu hỏi về neutrino sẽ có ảnh hưởng lớn đến vật lý trong tương lai, đến lý thuyết thống nhất. Mô hình SM hiện hành chưa gồm được hết các tính chất của neutrino và cần phải được mở rộng.

NEUTRINO VÀ PHẢN NEUTRINO, HẠT DIRAC VÀ HẠT MAJORANA
 

Các dữ liệu thực nghiệm cho thấy rằng các phản neutrino đều có helicity dương (hạt phải) còn neutrino có helicity âm (hạt trái).

Nếu neutrino là một hạt Dirac (như các hạt trong SM) thì neutrino và phản neutrino là hai hạt khác nhau. Song nếu neutrino là một hạt Majorana thì neutrino và phản neutrino trùng nhau và là cùng một hạt.

Không giống như hạt Dirac (hạt và phản hạt khác nhau) các hạt Majorana đồng nhất với phản hạt.

Liệu neutrino là hạt Dirac hay là hạt Majorana? Đây là một vấn đề còn bỏ ngỏ đối với hạt neutrino. Câu hỏi này (hạt Dirac hay hạt Majorana?) có thể tìm được câu trả lời trong những phân rã beta kép không có neutrino (xem hình 6).

Nhiều hạt nhân đồng vị có thể có hai phân rã beta đồng thời và thông thường sẽ phát ra hai electron và hai phản neutrino. Kết quả của phân rã kép beta sẽ không cho ta một neutrino nào nếu như neutrino là những hạt Majorana.

Mô hình Majorana cho neutrino có ưu điểm giải thích được sự bất đối xứng vật chất/phản vật chất: vì sao vũ trụ lại có nhiều vật chất mà phản vật chất hầu như khó tìm ra?



[Image: nbvl6.jpg]


Hình 6. Phân rã kép beta không có neutrino. Nếu neutrino cũng là phản neutrino  (hạt Majorana) thì phản neutrino phát sinh từ phân rã đầu sẽ bị hấp thụ bởi phân  rã thứ hai (phân rã thứ hai hấp thụ neutrino tương đương với việc phát ra phản neutrino). Kết quả là phân rã kép beta không phát ra neutrino hoặc phản neutrino nào cả. Phía trái của hình trên mô tả quá trình phân rã beta với neutrino và phản neutrino khác nhau, bên phải với neutrino và phản neutrino là một.

HIỆN TƯỢNG DAO ĐỘNG (OSCILLATION) NEUTRINO

Từ năm 1975 và nhất là năm 1995 các nhà vật lý đã phát hiện rằng số lượng neutrino đến từ Mặt trời bị giảm hụt trên quãng đường bay đến mặt đất so với tính toán. Lý thuyết ước lượng dòng neutrino Mặt trời là vào khoảng 64 tỷ neutrino/giây.cm2 xuống mặt đất. Song các detector như GALLEX hay SAGE chỉ đo được 40 tỷ/giây.cm2. Vậy một số lượng neutrino mất đi đâu?


Các nhà vật lý giải thích sự tụt giảm quan sát được trong thông lượng neutrino Mặt trời bằng hiện tượng dao động neutrino (xem hình 7). Thế nào là hiện tượng dao động neutrino?


[Image: nbvl7.jpg]

Hình 7. Dao động neutrino.


Nhiều thí nghiệm cho thấy rằng neutrino có thể thay đổi hương vị trên đường bay. Điều đó có nghĩa rằng trong quá trình bay từ một nguồn bức xạ (Mặt trời, máy gia tốc, lò phản ứng hạt nhân,...) neutrino luôn biến từ một hương vị này sang một hương vị khác (hương vị electron, hượng vị muon và hương vị tau). Hiện tượng biến đổi hương vị này được gọi là dao động neutrino, ý tưởng kỳ diệu này được Bruno Pontecorvo đưa ra năm 1962 và được Ziro Maki, Masami Nakagawa và Shoichi Sakata xây dựng thành mô hình dao động giữa các hương vị.

Pontecorvo đã tiên đoán năm 1967 rằng sự dao động sẽ dẫn đến một sự thiếu hụt (deficit) các neutrino Mặt trời quan sát từ mặt đất. Tiên đoán này được kiểm nghiệm bằng thực nghiệm năm 1968.

Nhiều thí nghiệm đã được đặt gần các nhà máy điện hạt nhân, các máy gia tốc là các nguồn có khả năng bức xạ neutrino nhằm mục đích đo khối lượng của neutrino trong vòng 20 năm nay.

CƠ CHẾ BẬP BÊNH (SEESAW MECHANISM) VÀ NEUTRINO KHÔNG HOẠT TÍNH (STERILE NEUTRINO)


Tháng Giêng năm 2011, Thierry Lasserre và cộng sự lại tìm thấy ở một khoảng cách vài mét của một lò phản ứng một sự thiếu hụt 6% neutrino so với lý thuyết. Và bất thường này không thể giải thích được bằng SM với ba neutrino đã biết mà chỉ có thể giải thích nếu đưa vào một loại neutrino chưa từng biết đến đó là neutrino không hoạt tính (sterile neutrino). Neutrino không hoạt tính là những neutrino phải (hoặc phản neutrino trái) không tương tác với các neutino hoạt tính (active neutrino) trong khuôn khổ của SM và chỉ có tương tác hấp dẫn.

Các neutrino không hoạt tính là những đơn tuyến chuẩn SM và chỉ tương tác với neutrino hoạt tính (active neutrino) nghĩa là các neutrino trong SM thông qua dao động.



[Image: nbvl8.png]


Trong sơ đồ trên, chỉ số s chỉ neutrino không hoạt tính (sterile).

Cơ chế bập bênh là cơ chế theo đó nếu khối lượng của neutrino không hoạt tính là lớn thì khối lượng của neutrino hoạt tính lại nhỏ và ngược lại. Đó là lý do vì sao cơ chế này được gọi là cơ chế bập bênh.

Cơ chế bập bênh đòi hỏi sự du nhập vào SM một (hay nhiều hơn) neutrino phải. Đây là một loại neutrino rất nặng khó ghi đo và được gọi là neutrino không hoạt tính (sterile neutrino), các neutrino trong SM được gọi là neutrino hoạt tính (active neutrino).

Trong mô hình bập bênh những neutrino mới chưa từng biết đến phải được đưa vào SM (như vậy là ta đã đi vượt quá SM), những neutrino này rất nặng, vượt quá xích (scale) điện yếu. Nhờ cơ chế này, người ta giải thích được vì sao các neutrino trái thông thường lại có khối lượng nhỏ. Có một mối liên hệ chặt chẽ giữa khối lượng của neutrino trái và neutrino phải: khối lượng của chúng tỷ lệ nghịch với nhau. Vậy neutrino phải càng nặng thì neutrino trái càng nhẹ.

Cơ chế bập bênh làm cho khối lượng neutrino phải không hoạt tính nặng nhiều so với neutrino của SM.

Như vậy ngoài những bất thường giải thích được nhờ hiện tượng dao động còn có những bất thường mà người ta không thể giải thích được bằng SM với ba hương vị neutrino mà phải cầu cứu đến một loại neutrino thứ tư gọi là neutrino không hoạt tính (vì loại neutrino này chỉ tham gia tương tác hấp dẫn).

Thêm các neutrino này vào Lagrangian của SM làm cho các neutrino trái lập tức có khối lượng và như thế cho phép giải thích hiện tượng dao động một cách tự nhiên (nhớ rằng dao động đòi hỏi neutrino phải có khối lượng).

Những hạt neutrino này là những đơn tuyến đối với nhóm chuẩn của SM.

Một neutrino không hoạt tính (sterile) không tham gia tương tác yếu chỉ tham gia tương tác hấp dẫn và dao động neutrino trong khi neutrino thông thường (neutrino hoạt tính) có tham gia tương tác yếu.
 
Nếu tồn tại neutrino phải thì điều này có thể cung cấp cơ sở để giải thích vì sao ba loại neutrino của SM lại có khối lượng nhỏ như vậy.

Những neutrino không hoạt tính (với khối lượng cỡ keV) có thể là ứng viên cho vật chất tối. Các hạt này có thể giúp các nhà vật lý giải thích tốc độ bất thường quan sát được của các pulsars (pulsar kicks). Sự phân rã của các neutrino không hoạt tính tàn dư có thể tạo nên một thông lượng tia X trong vũ trụ.

KẾT LUẬN

Những vấn đề lớn sau đây liên quan đến neutrino dẫn đến yêu cầu phải phát triển lý thuyết thống nhất trong vật lý:

1/ Cần tìm chính xác thêm khối lượng neutrino.

2/ Neutrino là hạt DIRAC hay là hạt MAJORANA?(câu hỏi này có thể tìm được câu trả lời trong thí nghiệm phân rã kép beta không có neutrino).

Hiên nay chưa có kết quả trong việc phát hiện quá trình này.

3/ Phát hiện hạt neutrino không hoạt tính (sterile neutrino), một ứng viên khác của vật chất tối. Neutrino không hoạt tính đòi hỏi sự mở rộng mô hình SM.

4/ Một sự bất đối xứng giữa hạt và phản hạt (vi phạm CP) có thể là cơ sở giải thích vì sao vật chất lại nhiều hơn phản vật chất trong vũ trụ.

Như vậy hạt neutrino đã đặt ra những vấn đề còn bỏ ngỏ buộc các nhà vật lý phải phát triển một mô hình sâu rộng hơn vượt qua giới hạn của SM tức là phải xây dựng một lý thuyết thống nhất tổng quát hơn nữa.

Sự phát hiện hiện tượng dao động của neutrino do hai nhà vật lý Takaaki Kajita và Arthur B.McDonald đã mở ra một cánh cửa lớn vào việc nghiên cứu vật lý các hạt cơ bản và vũ trụ học trong tương lai.
 
CC. biên dịch

Theo tiasang.com.vn

Tài liệu tham khảo

[1] Nobel.org, Press release, 2015
[2] Nobel.org, Popular information, 2015
[3] Nobel.org, Advanced information, 2015
[4] Martin Hirsh, Heinrich Pas, Werner Porod,Scientific American số tháng 4/2013
Reply