Hiểu về tương tác của các "hạt ma"

Các phản ứng nhiệt hạch trong mặt trời đã tạo ra hàng hàng lớp lớp những hạt neutrino, chúng rơi xuống trái đất mỗi ngày. Hàng nghìn tỉ hạt xuyên qua cơ thể chúng ta mỗi giây sau đó bay qua trái đất mà không gặp trở ngại.

“Dẫu sự tồn tại hạt neutrino được công nhận khoảng một thế kỷ trước đây và lần phát hiện đầu tiên vào 65 năm trước thì các hạt neutrino vẫn còn giữ rất nhiều bí ẩn bởi vì chúng không hề tương tác với vật chất”, Alessandro Lovato, một nhà vật lý hạt nhân tại Phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ Argonne (Bộ Năng lượng Mỹ), cho biết.

Lovato là một thành viên của nhóm nghiên cứu từ bốn phòng thí nghiệm quốc gia đang xây dựng một mô hình để giải quyết một trong rất nhiều bí ẩn về các hạt neutrino – cách chúng tương tác với các hạt nhân nguyên tử, làm phức tạp thêm các hệ được tạo ra từ các proton và neutron (các nucleons), vốn liên kết với nhau bằng lực tương tác mạnh. Hiểu biết này đóng vai trò thiết yếu để hé lộ một bí ẩn còn lớn hơn thế - tại sao trong suốt cuộc hành trình băng qua không gian hoặc vật chất của mình, các neutrino thay đổi một cách kỳ diệu hình thái từ một thành một trong ba dạng hoặc “các hương vị”.

Để nghiên cứu về các dao động đó, hai loạt thực nghiệm đã được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia Fermi (MiniBooNE và NOvA). Trong các thực nghiệm đó, các nhà khoa học tạo ra một luồng neutrino tập trung trong một máy gia tốc hạt, sau đó chuyển vào các máy dò hạt trong một thời gian dài (MiniBooNE) hoặc cách nguồn phát 500 dặm (NOvA).

Để hiểu về nguồn đóng góp ban đầu của các hương neutrino, các nhà thực nghiệm đã tập hợp dữ liệu liên quan đến các tương tác của hạt neutrino với các hạt nhân nguyên tử của các máy dò. Từ những thông tin đó, họ có thể tính toán được bất kỳ thay đổi nào trong các hương vị neutrino theo thời gian hoặc khoảng cách. Trong trường hợp của các máy dò MiniBooNE và NOvA, các hạt nhân từ đồng vị carbon-12, vốn gồm sáu proton và sáu neutron.

“Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã bước vào bức tranh nghiên cứu này bởi các thực nghiệm đòi hỏi một mô hình chính xác của các tương tác hạt neutrino với hạt nhân của máy dò trên khắp một phạm vi năng lượng lớn, Noemi Rocco, một postdoc tại bộ phận vật lý của Phòng thí ngiệm Argonne và Fermilab, nói. Do các hạt neutrino vô cùng khó nắm bắt,việc đạt được một miêu tả toàn diện về các phản ứng này là thách thức ghê gớm.

Mô hình vật lý hạt nhân của các tương tác neutrino với một nucleon đơn lẻ và một cặp nucleon mà nhóm nghiên cứu lập ra là mô hình chính xác nhất từ trước đến nat. “Mô hình của chúng tôi là cách tiếp cận đầu tiên để mô hình hóa được các tương tác ở cấp độ vi mô”, Rocco cho biết. “Những cách tiếp cận trước đây không đủ độ tinh vi”.

Một trong những phát hiện quan trọng của nhóm nghiên cứu, dựa trên những tính toán từ Mira, chiếc siêu máy tính giờ không còn là hiện đại nhất nữa tại Bộ phận máy tính ở Argonne (ALCF), là tương tác của cặp nucleon là trung tâm để mô hình hóa tương tác của neutrino với các hạt nhân một cách chính xác.

“Các hạt nhân trong máy dò càng lớn thì các hạt neutrino tương tác với chúng sẽ càng lớn”, Lovato nói. “Trong tương lai, chúng ta có thể lập kế hoạch để mở rộng mô hình của chúng ta để dữ liệu từ những hạt nhân lớn hơn như oxy và argon, có thể hỗ trợ các thực nghiệm ở Nhật Bản và Mỹ”.

Rocco còn cho biết thêm, “với những tính toán đó, chúng tôi sẽ còn cần đến năng lực tính toán của các máy tính ở ALCF, hệ Theta đang tồn tại và cả Aurora, cỗ máy có quy mô lớn hơn trong tương lai gần."

Các nhà khoa học hi vọng, cuối cùng, một bức tranh hoàn tất sẽ xuất hiện các dao động hương của cả các neutrino và những phản hạt của chúng – các phản neutrino. Những hiểu biết này sẽ rọi ánh sáng vào câu hỏi tại sao vũ trụ lại được xây dựng từ vật chất thay vì phản vật chất – một trong những câu hỏi cơ bản bậc nhất về vũ trụ.

Công trình của các nhà nghiên cứu được xuất bản với tên gọi “Ab Initio Study of (νℓ,ℓ−) and (ν¯ℓ,ℓ+) Inclusive Scattering in C12: Confronting the MiniBooNE and T2K CCQE Data” trên Physical Review X. Cùng với Rocco và Lovato, còn có các tác giả J. Carlson, S. Gandolfi (Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos), và R. Schiavilla (trường đại học Old Dominion/Phòng thí nghiệm Jefferson).

Theo tiasang