Viện IFIRSE tham gia thí nghiệm quốc tế Super-Kamiokande

Ngày 5 tháng 6 năm 2021, các thành viên của thí nghiệm Super-Kamiokande bỏ phiếu chấp nhận sự tham gia của viện Nghiên Cứu Khoa Học và Giáo Dục Liên Ngành (IFIRSE) , Quy Nhơn, Việt Nam cùng với 40 viện nghiên cứu khác đến từ 10 quốc gia (Nhật Bản, Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc, Ba Lan, Tây Ban Nha, Canada, Anh, Ý và Pháp).

Thí nghiệm Super-Kamiokande. Hình ảnh lấy từ đây

Super-Kamiokande (viết tắt là SK) là trạm quan sát neutrino dưới lòng đất lớn nhất thế giới. Trạm quan sát này có hình trụ với chiều cao 41.4m và đường kính 39.3m; chứa 50,000 tấn nước siêu sạch và sử dụng khoảng 13,000 sensor cực nhạy sáng để phát hiện các tín hiệu sinh ra từ các tương tác rất yếu. Lượng nước rất lớn của SK làm tăng xác suất tương tác đồng thời việc đặt máy dò khoảng 1000m dưới lòng đất cho phép giảm thiểu những tín hiệu nhiễu đến từ các tia vũ trụ và các nguồn tự nhiên và không tự nhiên khác. SK được xây dựng từ năm 1991 và bắt đầu hoạt động từ năm 1996. Năm 2021 đánh dấu 25 năm hoạt động với những phát kiến vĩ đại đóng góp cho hiểu biết của nhân loại:

  • Năm 1998, SK phát hiện ra hiện tượng vật lý mới gọi là dao động neutrino từ các neutrino khí quyển (được tạo ra khi các tia Vũ Trụ tương tác với khí quyển). Đây là phát hiện cực kỳ quan trọng trong vật lý hiện tại vì nó chỉ ra rằng neutrino có khối lượng và vì vậy là bằng chứng đầu tiên và cho đến nay vẫn là duy nhất minh chứng sự không hoàn thiện của Lý Thuyết Chuẩn của các hạt cơ bản-những mảnh ghép nhỏ nhất cấu thành nên Vũ Trụ. Phát kiến này đóng góp cho giải thưởng Nobel năm 2015 được trao cho GS Takaaki Kajita (cùng với GS Arthur B. McDonald) [1]
  • Năm 2001, SK khẳng định hiện tượng dao động neutrino từ mặt trời được phát hiện [2] . Neutrino được tạo ra bên trong lõi của mặt trời qua phản ứng tổng hợp hạt nhân 4p+ -> He +2e+ +2 νe + 26.7MeV năng lượng . Có khoảng 66 tỷ hạt neutrino từ mặt trời đi qua 1 centi mét vuông trong 1 giây. Tuy vậy bạn không hề cảm nhận được sự tồn tại của neutrino bởi neutrino tương tác rất yếu với vật chất. Giá trị của neutrino mặt trời mang lại không chỉ ở vật lý (như khẳng định cơ chế tạo ra năng lượng của mặt trời, tính phổ quát của dao động neutrino, …) mà còn ở khả năng giám sát hiện trạng của lõi mặt trời. Neutrino sinh ra từ bên trong lõi của mặt trời mất khoảng 8 phút để đến Trái đất trong khi đó ánh sáng mặt trời chúng ta thấy trên Trái Đất thực chất đã được tạo ra từ cách đây 100,000 năm. Nói cách khác, với ánh sáng chúng ta nhìn thấy hoạt động của mặt trời trong quá khứ, còn với neutrino, đó là mặt trời của hiện tại.
  • Năm 2011, SK với vai trò như là máy dò xa của thí nghiệm T2K phát hiện dao động neutrino sinh ra từ máy gia tốc. Phát hiện này đóng góp trực tiếp cho giải thưởng đột phát năm 2016 được trao cho T2K cùng với các thí nghiệm khác là (SK, SNO, KamLAND, K2K và DayaBay ) [3]. Kênh dao động này (chuyển đổi từ neutrino loại muon sang neutrino loại electron) hiện đang được nghiên cứu bởi thí nghiệm T2K (ở Nhật Bản) và NOvA (ở Mỹ), cũng như các thí nghiệm tương lai Hyper-Kamiokande (ở Nhật Bản) và DUNE (ở Mỹ) để tìm kiếm phá vỡ đối xứng CP (hay còn gọi vi phạm liên hợp điện tích và đảo ngược chẳn lẻ). Năm 2020, thí nghiệm T2K [4] công bố dấu hiệu vi phạm đối xứng CP với độ tin cậy 99.7%. Nếu được xác nhận với các phép đo chính xác hơn trong tương lai, vi phạm đối xứng này có thể giúp chúng ta đưa ra giải thích về việc vật chất nhiều hơn phản vật chất trong Vũ trụ mà chúng ta quan sát được

Bên cạnh những phát hiện ở trên, SK là thí nghiệm hàng đầu thế giới tìm kiếm phân rã proton. Proton được cho là bên vững mãi mãi nhưng các lý thuyết thống nhất lớn (Grand Unified Theoy) tiên đoán rằng proton phân rã. Việc tìm kiếm phân rã proton có vai trò rất lớn trong việc khẳng định sự tồn tại của lý thuyết Thống Nhất Lớn của vật lý. Cho đến thời điểm hiện tại, SK với số liệu thu thập trong 25 năm, chưa tìm thấy dấu hiệu của quá trình này và chu kì bán rã của proton đo với SK được tính toán là lớn hơn 1034 năm [5], lớn hơn rất nhiều so với tuổi của Vũ Trụ 1010 năm.

Tháng 8 năm 2020, SK [6] đưa nguyên tố hiếm Gadolinium vào trong máy đo, mở ra một kĩ nguyên mới cho thí nghiệm, gọi là SK-Gd. Nguyên tố này giúp tăng khả năng phát hiện neutron được sinh ra trong các quá trình tương tác, mở ra cơ hội tìm kiếm neutrino từ các vụ nỗ sao. Trung bình có hàng nghìn vụ nỗ sao diễn ra trong một giờ trong khắp Vũ Trụ. Phần lớn những vụ nỗ này diễn ra cách xa thiên hà của chúng ta và do đó không thể quan sát được trực tiếp. Theo hiểu biết hiện tại, 99% năng lượng liên kết của ngôi sao khi chết đi được một lượng rất lớn neutrino mang đi. Neutrino từ các vụ nỗ sao này du hành khắp nơi trong Vũ Trụ và với rất nhiều vụ nỗ sao đã diễn ra từ trong quá khứ đến hiện tại tạo nên bức phông nền neutrino vẫn từng giây từng phút đi qua Trái Đất. Bức phông nền neutrino từ các vụ nỗ sao (diffuse supernova neutrinos) vẫn chưa được phát hiện và SK-Gd là máy đo thuộc dạng nhạy nhất thế giới để giúp nhân loại lần đầu tiên phát hiện bức phông nền này.

Neutrino Group at ICISE được thành lập năm 2017 với sự giúp đỡ rất lớn từ các nhà vật lý neutrino Nhật Bản và hội gặp gỡ Việt Nam, đã tham gia đóng góp cho thí nghiệm quốc tế neutrino T2K từ 4 năm nay. Với việc tham gia thí nghiệm SK, nhóm hi vọng đóng góp cho việc tìm kiếm bức phông nền neutrino từ các vụ nỗ sao và tìm kiếm phân rã proton. Bên cạnh tham gia các thí nghiệm quốc tế, mục tiêu của nhóm là xây dựng phòng thí nghiệm và hệ máy đo cỡ nhỏ ngay tại Việt Nam để phục vụ cho mục đích nghiên cứu và giáo dục. Chúng tôi rất hoan nghênh và cố gắng hỗ trợ hết sức các bạn sinh viên trẻ Việt Nam tham gia nghiên cứu cùng với nhóm chúng tôi và tham gia các thí nghiệm quốc tế T2K hay SK. Nếu các bạn quan tâm, xin liên hệ với chúng tôi, hoặc đăng ký chương trình thực tập tại ICISE. Các bạn cũng có thể đăng ký tham gia lớp học thường niên Neutrino Việt Nam do các nhà khoa học Nhật Bản, hội gặp gỡ Việt Nam và nhóm chúng tôi tổ chức.

Tài liệu tham khảo
Liên hệ

TS Cao Văn Sơn, email cvson@ifirse.icise.vn

Share

@Neutrino, IFIRSE 2021