HẠT NEUTRINO và
NHỮNG TÍN HIỆU CỦA TRANG VẬT LÝ MỚI
Tạp
chí Scientific American số tháng 4/2013 đã đăng tải bài viết chứa nhiều thông tin quan trọng về hạt
neutrino của các tác giả: GS. Martin Hirsh (Đại học
Neutrino
là một hạt đầy bí hiểm. Những vấn đề mà neutrino đặt ra sẽ sớm mở đường đến những thực tại chưa được khám phá. Neutrino
là ngọn đèn tín hiệu của một vật lý mới.
Hình 1. Từ trái sang phải: GS. Martin Hirsh,GS.Heinrich Pas, GS.Werner Porod .
CÁC TÍNH CHẤT CỦA HẠT
NEUTRINO
Trong
mô hình SM (Standard Model) - mô hình thống nhất các tương tác điện từ, yếu, mạnh
- neutrino được xếp vào bảng các hạt cơ bản
như ở hình 2.
Neutrino
là một hạt fermion với spin = ½, không có điện tích, khối lượng rất bé và có 3
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.
Hình 2. Các hạt
cơ bản trong mô hình SM, các hạt trong hình ellip là các neutrino
với 3 hương vị
(electron, muon và tau).
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).
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
còn có thể tìm thấy trong tia vũ trụ và trong thông lượng neutrino bức xạ
từ mặt trời (atmospheric and solar neutrinos).
Neutrino tương tác rất yếu với các hạt khác
(xem hình 4).
Hình 4. Hàng
tỷ hạt neutrino đi ngang qua ngón tay cái của chúng ta trong mỗi giây mà chúng
ta không cảm nhận được.
Ứng
với mỗi neutrino có một hạt phản neutrino (xem hình 5).
Hình 5.
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 6) còn đối với phản neutrino thì đó là một hạt phải
(spin hướng đồng chiều với xung lượng).
Hình 6.
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 bêta: Tôi đã làm một việc khủng khiếp là tiên đoán sự tồn
tại của một hạt mà có thể không ghi đo được.
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 mà chúng ta sẽ bàn đến trong bài
viết này.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.
Trên khắp thế giới tại những máy va chạm, lò phản ứng,
trong các hầm mỏ người ta đều đặt thiết bị đề ghi đo và nghiên cứu nhiều vấn đề
về neutrino.
NEUTRINO
& PHẢN NEUTRINO
HẠT
DIRAC & 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 7).
Nhiều hạt nhân đồng vị
có thể có hai phân rã bêta đồng thời và thông thường sẽ phát ra hai electron và
hai phản neutrino.Kết quả của phân rã kép bêta 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 ?
Hình 7. 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 bêta
không phát ra neutrino hoặc phản neutrino nào cả. Phía trái của hình trên mô tả quá trình phân rã bêta
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 8) . Thế nào là hiện tượng dao động neutrino?
Hình 8. Dao động neutrino
Nhiều
thí nghiệm cho thấy rằng neutrino có thể thay đổi hương vị (flavor) trên đường bay. Điều đó có nghĩa rằng trong quá trình bay (xem
hình 9 và 10) 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.
Hình 9 .Khi neutrino chuyển động gần tốc độ ánh sáng
trong không gian, xuyên qua quả đất, xuyên qua cơ thể chúng ta thì hương vị của
nó thay đổi, nghĩa là có dao động giữa các loại neutrino.Các nhà vật lý có thể
tính toán xác suất dao động theo quãng đường mà neutrino bay,
Có thể tồn tại một loại neutrino thứ
tư. Hình vẽ trên minh họa xác suất dao động của neutrino muon ban đầu theo
quãng đường bay.
Hình 10 .Các thí nghiệm về dao động neutrino đo tỷ lệ các
loại neutrino từ một nguồn phát đến một địa điểm cách nguồn một quãng bay tính
bằng km.
Cơ học lượng tử buộc rằng muốn có dao động thì các
neutrino phải có khối lượng khác nhau.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.
Việc đo đạc
khối lượng neutrino phụ thuộc vào 2 thông số chính : góc trộn lượng tử
(quantum mixing angle) giữa 2 hương vị neutrino và hiệu bình phương khối lượng
của hai loại đó.
Hiện nay trị số góc trộn và khối lượng neutrino chưa
đạt đến mức chính xác cao.
NEUTRALINO
Trong
lý thuyết các hạt cơ bản có một đối xứng quan trọng là siêu đối xứng
(supersymmetry) nối liền fermion (spin phân số) và boson (spin nguyên).Vậy mỗi hạt có một siêu hạt song hành.Ví dụ siêu hạt của Z là
Zino, siêu hạt của photon là photino còn siêu hạt của Higgs là Higgsino.Các
siêu hạt này đều có spin=1/2.
Vì các siêu hạt Zino,photino và
Higgsino có cùng những số lượng tử như nhau chúng có thể kết hợp với nhau để
cho ta hạt neutralino.Hạt này tương tác với các hạt khác với hằng số tương tác
đặc trưng cho tương tác yếu tương tự như hạt neutrino.
Các
nhà vật lý cho rằng hạt neutralino = Zino+photino+Higgsino là hạt ứng viên của vật chất tối, neutralino phải có thời gian sống dài để làm nhiệm vụ đó.
Hai trong số tác giả (Hirsch and
Porod) của bài báo này cùng cộng tác với José Valle (Đại học Valencia, Tây ban nha ) và Jorge C. Romão (Đại học kỹ thuật Lisbon, Bồ đào nha) đã
chứng minh rằng mối liên hệ giữa neutrino và neutralino có thể kiểm nghiệm được
tại LHC (Large Hadron Collider).
CƠ CHẾ BẬP
BÊNH (SEESAW MECHANISM)
&
NEUTRINO KHÔNG HOẠT TÍNH (STERILE NEUTRINO)
Tháng giêng 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.
Lagrangian trên dẫn đến một ma trận khối lượng biểu hiện cơ chế bập bênh (seesaw mechanism).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 (xem hình 11).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.
Các mô hình bập bênh này thường được ký hiệu là
(3+N ), số 3 là số các neutrino hoạt
tính còn N là số neutrino không hoạt tính.
Trong sơ đồ với 2 neutrino không hoạt tính chúng ta có hình sau
Hình
11. Trên đây là các trạng thái hàm riêng của ma trận khối lượng v i
(i=1,2,3,4,5) trong mô hình với 3
neutrino hoạt tính + 2 neutrino không hoạt tính.
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 3 hương vị neutrino mà phải cầu
cứu đến một loại neutrino thứ tư (gọi là neutrino không hoạt tính, neutrino
này được gọi là 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 3 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/ Trong biến
hóa dao động (oscillation metamorphose) của neutrino (kể cả neutrino không hoạt
tính) cần tìm chính xác góc trộn (mixing) và khối
lượng neutrino.Dữ liệu hiện nay về khối lượng neutrino hoạt tính là
νe : < 2,5 eV/c2, νμ : < 170
keV/c2, ντ : < 18 MeV/c2,
2/ Tìm mối liên hệ giữa hạt neutralino, một
ứng viên vật chất tối (dark matter) và hạt neutrino nhờ máy gia tốc siêu đại LHC
(Large Hadron Collider),
3/
Neutrino là hạt DIRAC hay là hạt MAJORANA ?(câu hỏi này có thể tìm được câu
trả lời trong thí nghiệm phân rã kép bêta không có neutrino). 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.
4/ 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.
Những vấn đề trên đang được các phòng thí
nghiệm trên thế giới tích cực tiếp cục nghiên cứu để làm sáng tỏ.
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. Có thể nói neutrino là ngọn đèn tín hiệu của một vật lý mới trong tương
lai. Giải quyết các bí ẩn của neutrino có thể đưa vật lý sang một trang mới.
CC. biên dịch
Tài liệu tham khảo
[1] Testing
Neutrino Mixing at Future Collider Experiments. W. Porod, M. Hirsch, J. Romão and J.W.F. Valle in Physical Review D, Vol. 63, No.
11, Article No. 115004; April 30, 2001.
[2] Neutrino
Masses and Particle Physics beyond the Standard Model. H. Päs in Annalen der Physik, Vol. 11, No. 8, pages 551–572;
September 2002.
Nhận xét
Đăng nhận xét