Tại sao nghiên cứu về 'hạt ma' đoạt giải Nobel Vật lý?

Hạt neutrino mang thông tin quý giá từ vũ trụ tới Trái Đất có thể giúp giới nghiên cứu khám phá những hiện tượng vật lý thiên văn trong không gian sâu như vụ nổ siêu tân tinh và siêu hố đen.

Theo Space , giải Nobel Vật lý 2026 được trao cho nhà khoa học Francis Halzen vì phát hiện hạt ma từ không gian sâu bằng cách sử dụng Đài quan sát neutrino IceCube tại Nam Cực. Con đường trở thành chủ nhân giải Nobel của Halzen bắt đầu khi ông nhận ra băng ở Nam Cực là môi trường lý tưởng để theo dõi hạt neutrino trong hành trình truyền từ những hiện tượng dữ dội trong vũ trụ qua Trái Đất. Chính điều này đã dẫn tới sự ra đời của Đài quan sát IceCube, khối băng rộng 1 km³ trang bị cảm biến ánh sáng giúp quan sát các tia sáng nhỏ phát ra từ tương tác hiếm hoi giữa hạt neutrino với hạt khác.

Neutrino là hạt phổ biến thứ hai trong toàn vũ trụ, chỉ sau photon (hạt ánh sáng). Mỗi giây, có khoảng 100 nghìn tỷ hạt neutrino đi qua cơ thể mà chúng ta không nhận ra. Nếu may mắn, trong 100 năm, chỉ có một hạt neutrino có thể tương tác với một nguyên tử trong cơ thể người. Do bản chất khó phát hiện, hạt neutrino có biệt danh là "hạt ma" do nó hoàn toàn không mang điện tích, hầu như không có khối lượng và di chuyển qua vũ trụ nhanh gần bằng vận tốc ánh sáng mà không bị cản trở.

Neutrino năng lượng cao được cho là phát ra từ các sự kiện thiên văn mạnh mẽ đóng vai trò như máy gia tốc hạt vũ trụ. Giới nghiên cứu xem hạt neutrino là sứ giả đưa tin tuyệt vời vì nó truyền đến Trái Đất mà không đổi hướng hoặc mất năng lượng và mang theo thông tin trọn vẹn. Tuy nhiên, trước khi tìm hiểu rõ hơn sự kiện thiên văn trong không gian sâu, các nhà khoa học cần phát hiện những hạt ma năng lượng cao này.

Năm 1988, Halzen lần đầu tiên đề xuất ý tưởng săn tìm hạt neutrino khi xuyên qua băng Nam Cực và tương tác ngẫu nhiên với nguyên tử. Nam Cực là địa điểm lý tưởng để đặt máy dò vì không có nguồn gây nhiễu và không bị ảnh hưởng bởi biến động địa chất do động đất.

Khi hạt neutrino va chạm với hạt nhân của một nguyên tử, tương tác tạo ra điện tích và phát ra ánh sáng xanh có thể quan sát trong nước hoặc băng. Theo AFP , Halzen và cộng sự đã lắp đặt gần 5.500 cảm biến quang học nằm sâu một kilomet dưới lớp băng Nam Cực để quan sát ánh sáng từ hạt neutrino đi qua Trái Đất.

Sau thử nghiệm ban đầu, Đài quan sát IceCube hoàn thành vào năm 2011 và trở thành minh chứng rõ ràng nhất cho lý thuyết của Halzen. Vào tháng 8/2011 và 2012, các nhà khoa học tại Đài quan sát IceCube phát hiện 2 hạt neutrino năng lượng cực cao (ở mức PeV), đặt biệt danh cho chúng là "Bert" và "Ernie".

Tháng 11/2013, bằng cách cải tiến phương pháp phân tích dữ liệu, nhóm nghiên cứu rà soát lại và tìm thấy thêm 26 hạt neutrino năng lượng cao khác. So với Máy Gia tốc Hạt Lớn (LHC), máy gia tốc mạnh nhất do con người chế tạo tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN), các hạt neutrino năng lượng cao đã phát hiện từ vũ trụ có mức năng lượng lớn hơn từ hàng chục đến hàng triệu lần.

Tổng cộng 28 hạt này (có mức năng lượng từ 30 TeV đến hơn 1 PeV) là bằng chứng vững chắc khẳng định chúng đến từ các nguồn vũ trụ xa xôi chứ không phải sinh ra từ bầu khí quyển Trái Đất. Sự kiện này đã chính thức mở ra kỷ nguyên của ngành thiên văn học neutrino. Nhà khoa học Philipp Eller ở Đại học Kỹ thuật Munich, Đại học Kỹ thuật Munich, giải thích việc giải mã bí ẩn về nguồn gốc của hạt neutrinos "thậm chí có thể vén màn nhiều bí ẩn khác, như nguồn gốc của các tia vũ trụ năng lượng cực cao hoặc vật chất tối".

Ngày nay, IceCube vẫn tiếp tục thu thập dữ liệu neutrino, mở rộng hiểu biết của con người về vũ trụ và mang lại cơ hội hấp dẫn để quan sát những hiện tượng trong không gian sâu. "Những gì IceCube đã làm là mở ra cửa sổ mới để quan sát vũ trụ", Juan Antonio Aguilar, giáo sư tại Đại học Tự do Brussels kiêm thành viên của nhóm IceCube, chia sẻ với AFP . "Sự ra đời của nó giống như lần đầu phát minh kính viễn vọng, nhưng hoạt động dựa vào những hạt cơ bản khác".

"Francis Halzen đã dẫn dắt đội ngũ quốc tế gồm các nhà nghiên cứu và kỹ sư, mang đến cho chúng ta một công cụ tuyệt vời. Sự kiên trì và tầm nhìn khoa học của ông đã mở đường cho một loại hình thiên văn học mới", Mark Pearce, Chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý, nhận xét.