Nguồn gốc của năng lượng cao nơtrino đã được truy tìm lần đầu tiên, giải đáp một bí ẩn thiên văn quan trọng
Để hiểu và tìm hiểu thêm năng lượng hay vật chất, việc nghiên cứu các hạt tiểu nguyên tử bí ẩn là rất quan trọng. Các nhà vật lý học xem xét các hạt tiểu nguyên tử - neutrino – để hiểu rõ hơn về các sự kiện và quá trình khác nhau mà chúng bắt nguồn từ đó. Chúng ta biết về các ngôi sao và đặc biệt là mặt trời bằng cách nghiên cứu neutrino. Còn rất nhiều điều cần học hỏi về vũ trụ và hiểu cách hoạt động của neutrino là bước quan trọng nhất đối với bất kỳ nhà khoa học nào quan tâm đến Vật lý và Thiên văn học.
Neutrino là gì?
Neutrino là các hạt hơi (và rất dễ bay hơi) hầu như không có khối lượng, không có điện tích và chúng có thể đi qua bất kỳ loại vật chất nào mà bản thân chúng không có bất kỳ sự thay đổi nào. Neutrino có thể đạt được điều này bằng cách chịu được các điều kiện khắc nghiệt và môi trường dày đặc như các ngôi sao, hành tinh và thiên hà. Một đặc điểm quan trọng của neutrino là chúng không bao giờ tương tác với vật chất ở môi trường xung quanh và điều này khiến việc phân tích chúng trở nên rất khó khăn. Ngoài ra, chúng tồn tại ở ba “mùi” – electron, tau và muon và chúng chuyển đổi giữa các mùi này khi chúng dao động. Đây được gọi là hiện tượng “trộn” và đây là lĩnh vực nghiên cứu kỳ lạ nhất khi tiến hành thí nghiệm về neutrino. Đặc điểm mạnh nhất của neutrino là chúng mang thông tin duy nhất về nguồn gốc chính xác của chúng. Điều này chủ yếu là do neutrino mặc dù có năng lượng cao nhưng chúng không mang điện nên chúng không bị ảnh hưởng bởi từ trường ở bất kỳ cường độ nào. Nguồn gốc của neutrino chưa được biết đầy đủ. Hầu hết chúng đến từ mặt trời nhưng một số nhỏ, đặc biệt là những năng lượng cao, đến từ các vùng sâu hơn của Trái đất. không gian. Đây là lý do mà nguồn gốc chính xác của những kẻ lang thang khó nắm bắt này vẫn chưa được xác định và chúng được gọi là “hạt ma”.
Nguồn gốc của neutrino năng lượng cao được truy tìm
Trong nghiên cứu song sinh mang tính đột phá trong thiên văn học được xuất bản trong Khoa họcCác nhà nghiên cứu lần đầu tiên đã truy tìm nguồn gốc của một hạt neutrino hạ nguyên tử ma quái được tìm thấy sâu trong băng ở Nam Cực sau khi nó du hành 3.7 tỷ năm tới hành tinh Trái đất1,2. Công việc này đạt được nhờ sự hợp tác của hơn 300 nhà khoa học và 49 tổ chức. Neutrino năng lượng cao được phát hiện bởi máy dò IceCube lớn nhất từ trước đến nay được thiết lập ở Nam Cực bởi Đài quan sát Neutrino IceCube nằm sâu trong các lớp băng. Để đạt được mục tiêu, 86 lỗ đã được khoan vào băng, mỗi lỗ sâu 5000 dặm và trải rộng trên một mạng lưới gồm hơn 1 cảm biến ánh sáng, bao phủ tổng diện tích 86 km khối. Máy dò IceCube, do Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ quản lý, là một máy dò khổng lồ gồm 300 dây cáp được đặt trong các lỗ khoan kéo dài đến lớp băng sâu. Các máy dò ghi lại ánh sáng xanh đặc biệt phát ra khi neutrino tương tác với hạt nhân nguyên tử. Nhiều neutrino năng lượng cao đã được phát hiện nhưng chúng không thể theo dõi được cho đến khi một neutrino có năng lượng 50 nghìn tỷ electron volt được phát hiện thành công bên dưới chỏm băng. Năng lượng này lớn hơn gần XNUMX lần so với năng lượng của các proton quay vòng qua Máy va chạm Hardon Lớn, máy gia tốc hạt mạnh nhất trên này. hành tinh. Sau khi phát hiện này được thực hiện, một hệ thống thời gian thực sẽ thu thập và biên soạn dữ liệu một cách có phương pháp cho toàn bộ phổ điện từ, từ các phòng thí nghiệm trên Trái đất và trong không gian về nguồn gốc của neutrino này.
Neutrino được truy tìm thành công về một hạt phát sáng thiên hà được biết đến với cái tên “blazer”. Blazer là một hoạt động hình elip khổng lồ thiên hà với hai tia phát ra tia neutrino và tia gamma. Nó có một khối lượng siêu lớn đặc biệt và quay nhanh hố đen ở trung tâm của nó và thiên hà di chuyển về phía Trái đất với tốc độ ánh sáng. Một trong những tia sáng của áo blazer có đặc điểm sáng rực và nó hướng thẳng vào trái đất tạo ra điều này thiên hà tên của nó. Áo blazer thiên hà nằm ở bên trái chòm sao Orion và khoảng cách này cách Trái đất khoảng 4 tỷ năm ánh sáng. Cả neutrino và tia gamma đều được đài quan sát phát hiện và tổng cộng 20 kính thiên văn trên Trái đất và trong không gian. Nghiên cứu đầu tiên1 này cho thấy việc phát hiện ra neutrino và nghiên cứu thứ hai tiếp theo2 cho thấy rằng blazer thiên hà đã tạo ra những neutrino này trước đó cũng vào năm 2014 và 2015. Blazer chắc chắn là một nguồn cung cấp neutrino cực mạnh và do đó cũng là nguồn của các tia vũ trụ.
Khám phá mang tính đột phá trong thiên văn học
Việc phát hiện ra các neutrino này là một thành công lớn và nó có thể cho phép nghiên cứu và quan sát các hạt neutrino. vũ trụ một cách chưa từng có. Các nhà khoa học tuyên bố rằng khám phá này có thể giúp họ lần đầu tiên truy tìm nguồn gốc của các tia vũ trụ bí ẩn. Những tia này là những mảnh nguyên tử rơi xuống Trái đất từ bên ngoài hệ mặt trời với tốc độ ánh sáng. Chúng bị cho là nguyên nhân gây ra sự cố cho vệ tinh, hệ thống thông tin liên lạc, v.v. Ngược lại với neutrino, tia vũ trụ là các hạt tích điện nên từ trường liên tục ảnh hưởng và thay đổi đường đi của chúng và điều này khiến không thể truy tìm nguồn gốc của chúng. Tia vũ trụ là chủ đề nghiên cứu của thiên văn học từ lâu và dù được phát hiện vào năm 1912 nhưng tia vũ trụ vẫn là một bí ẩn lớn.
Trong tương lai, một đài quan sát neutrino ở quy mô lớn hơn sử dụng cơ sở hạ tầng tương tự như được sử dụng trong nghiên cứu này có thể đạt được kết quả nhanh hơn và có thể thực hiện nhiều phát hiện hơn để làm sáng tỏ các nguồn neutrino mới. Nghiên cứu này được thực hiện bằng cách ghi lại nhiều quan sát và nhận thức dữ liệu trên phổ điện từ là rất quan trọng để nâng cao hiểu biết của chúng ta về vũ trụ cơ chế vật lý chi phối nó. Đó là một minh họa điển hình cho thiên văn học “đa tín hiệu”, sử dụng ít nhất hai loại tín hiệu khác nhau để kiểm tra vũ trụ, khiến vũ trụ trở nên mạnh mẽ và chính xác hơn trong việc biến những khám phá như vậy thành hiện thực. Cách tiếp cận này đã giúp phát hiện ra sự va chạm của sao neutron và cũng sóng hấp dẫn trong thời gian qua. Mỗi sứ giả này cung cấp cho chúng ta kiến thức mới về vũ trụ và các sự kiện mạnh mẽ trong bầu khí quyển. Ngoài ra, nó có thể giúp hiểu thêm về các sự kiện cực đoan xảy ra hàng triệu năm trước khiến các hạt này thực hiện hành trình đến Trái đất.
***
Nguồn
1. Hợp tác IceCube et al. 2018. Các quan sát của nhiều hành khách về một ngọn lửa bùng cháy trùng hợp với neutrino năng lượng cao IceCube-170922A. Khoa học. 361 (6398). https://doi.org/10.1126/science.aat1378
2. Hợp tác IceCube et al. 2018. Phát xạ neutrino từ hướng của blazar TXS 0506 + 056 trước cảnh báo IceCube-170922A. Khoa học. 361 (6398). https://doi.org/10.1126/science.aat2890
***
