8 là một cột mốc quan trọng trong việc đo khối lượng neutrino. Neutrino là các hạt hạ nguyên tử khó nắm bắt, dễ dàng xuyên qua vật chất thông thường và đóng vai trò quan trọng trong các hạt tạo nên vũ trụ của chúng ta. Để giải thích đầy đủ vũ trụ của chúng ta hình thành như thế nào, chúng ta cần biết khối lượng của nó. Tuy nhiên, giống như nhiều người trong chúng ta, đó là tìm cách tránh bị cân nặng.
Vào năm 2022, nhóm nghiên cứu KATRIN đã xác định giới hạn trên về khối lượng của một neutrino. Thành tựu mang tính bước ngoặt này là kết quả của nhiều thập kỷ làm việc chăm chỉ. Nhưng những kết quả này chỉ thu hẹp cửa sổ tìm kiếm. KATRIN sẽ sớm đạt tới và thậm chí một ngày nào đó sẽ vượt quá giới hạn phát hiện mục tiêu của nó, nhưng các neutrino nhẹ hơn có thể còn nhẹ hơn nữa, điều này đặt ra câu hỏi: "Tiếp theo là gì? Tiếp theo là gì?"
TA GPH58Quang phổ phát xạ bức xạ cyclotron (CRES) thấy ở đây là chìa khóa cho một phương pháp hoàn toàn mới nhằm xác định khối lượng của neutrino khó nắm bắt. Nguồn: Alec Lindemann, Nhóm Dự án 8
Theo dõi các hạt ma
trong nghiên cứu mới nhất, nhóm Dự án 8 báo cáo trên tạp chí Physical Review Letters rằng họ có thể sử dụng một kỹ thuật hoàn toàn mới để theo dõi và ghi lại một hiện tượng tự nhiên gọi là phân rã beta một cách đáng tin cậy. Khi một biến thể phóng xạ hiếm gặp của hydro - tritium - phân rã thành ba hạt hạ nguyên tử: ion helium, electron và neutrino, mỗi phân rã sẽ giải phóng một lượng năng lượng rất nhỏ.
Thành công cuối cùng của Dự án 8 phụ thuộc vào một kế hoạch đầy tham vọng. Thay vì cố gắng phát hiện trực tiếp neutrino - có thể đi qua hầu hết các công nghệ dò tìm mà không gặp khó khăn - nhóm đã sử dụng một chiến lược đo đơn giản có thể tóm tắt như sau:
Einstein cho chúng ta biết rằng tổng khối lượng của một nguyên tử triti bằng năng lượng của các bộ phận của nó. Khi chúng ta đo các electron tự do được tạo ra bởi sự phân rã beta, chúng ta biết tổng khối lượng và năng lượng “còn thiếu” là khối lượng và chuyển động của neutrino.
Brent VanDevender, một trong những nhà nghiên cứu chính của Dự án 8 tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương của Bộ Năng lượng, cho biết: " Về nguyên tắc, khi công nghệ phát triển và mở rộng quy mô, có thể đạt tới phạm vi cần thiết để xác định khối lượng neutrino "
Tại sao lại là Dự án 8?
Các nhà nghiên cứu chọn theo đuổi chiến lược đầy tham vọng này vì họ đã xem xét những ưu và nhược điểm và kết luận rằng nó khả thi.
Talia Weiss là sinh viên tốt nghiệp ngành vật lý hạt nhân tại Đại học Yale. Cô và các đồng nghiệp trong Dự án 8 của mình đã dành nhiều năm nghiên cứu cách phân biệt chính xác tín hiệu điện tử với nhiễu nền điện tử. Christine Claessens là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Washington. Cô đã nhận bằng Tiến sĩ từ Dự án 8 tại Đại học Mainz ở Đức. Weiss và Claesens tiến hành hai phân tích cuối cùng, đặt ra những ràng buộc đầu tiên lên khối lượng neutrino thu được từ kĩ thuật mới.
"Neutrino cực kỳ nhẹ. Nó nhẹ hơn electron hơn 500.000 lần. Vì vậy, khi neutrino và electron được tạo ra cùng lúc, khối lượng neutrino có ảnh hưởng tối thiểu đến chuyển động của electron. Chúng tôi muốn thấy hiệu ứng nhỏ bé này. Vì vậy, chúng tôi cần một cách siêu chính xác để đo tốc độ chuyển động của electron", Weiss nói. Dự án
8 chỉ dựa trên một công nghệ như vậy, được các nhà vật lý Joe Formaggio và Ben Monreal, khi đó đều làm việc tại MIT, hình thành cách đây hơn một thập kỷ. Một nhóm quốc tế đã tập hợp xung quanh ý tưởng này và thành lập Dự án 8 để biến ý tưởng này thành một công cụ thực tế. Phương pháp thu được được gọi là quang phổ phát xạ bức xạ cyclotron (CRES). Nó thu giữ bức xạ vi sóng phát ra từ các electron mới sinh khi chúng quay trong từ trường. Những electron này mang đi phần lớn, nhưng không phải tất cả, năng lượng được giải phóng trong quá trình phân rã beta. Chính năng lượng bị thiếu này sẽ tiết lộ khối lượng của neutrino. Đây là lần đầu tiên công nghệ CRES được sử dụng để đo sự phân rã beta của tritium và đặt ra giới hạn trên cho khối lượng neutrino.
Các nhà khoa học cân neutrino như thế nào? Nguồn hình ảnh: Hoạt hình do Sara Levine sản xuất tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương
Các phương pháp và thách thức đổi mới
Nhóm nghiên cứu chỉ quan tâm đến việc theo dõi các electron này vì năng lượng của chúng là chìa khóa để tiết lộ khối lượng neutrino. Mặc dù chiến lược này đã được sử dụng trước đây nhưng năng lượng điện tử được đo bằng máy dò CRES rất quan trọng đến mức tiềm năng mở rộng của nó vượt xa bất kỳ công nghệ hiện có nào. Và khả năng mở rộng này là điều làm nên sự khác biệt của Project 8. Elise Novitski là trợ lý giáo sư tại Đại học Washington và là người lãnh đạo nhiều khía cạnh của công trình mới được công bố.
Nowitzki nói: "Không ai làm điều này. Chúng tôi không sử dụng công nghệ hiện có và cố gắng tinh chỉnh nó một chút. Chúng tôi kiểu như đang ở miền Tây hoang dã."
4
Trong thí nghiệm mới nhất tại Đại học Washington ở Seattle, nhóm nghiên cứu đã theo dõi 3.770 sự kiện phân rã beta tritium trong một ô mẫu cỡ hạt đậu trên một cửa sổ thử nghiệm 82 ngày. Tế bào mẫu được làm lạnh bằng phương pháp đông lạnh và đặt trong từ trường thu giữ các electron mới nổi trong thời gian dài, cho phép ăng-ten ghi của hệ thống ghi lại tín hiệu vi sóng.
Quan trọng nhất là nhóm không ghi lại được tín hiệu sai hoặc sự kiện nền nào mà không thể nhầm lẫn với tín hiệu thực. Điều này quan trọng vì ngay cả một nền rất nhỏ cũng có thể che khuất tín hiệu khối neutrino, khiến cho việc giải thích tín hiệu hữu ích trở nên khó khăn hơn.
Các nhà nghiên cứu thuộc Dự án 8, do nhà vật lý thực nghiệm PNNL Noah Oblath dẫn đầu, cũng đã phát triển một bộ phần mềm chuyên dụng - mỗi phần mềm được đặt tên theo nhiều loại côn trùng khác nhau - để lấy dữ liệu thô và chuyển đổi thành tín hiệu có thể phân tích được. Các kỹ sư của dự án cũng đội mũ mày mò và phát minh ra nhiều bộ phận khác nhau để tạo nên thành công cho Dự án 8.
Nowitzki nói: "Các kỹ sư của chúng tôi rất quan trọng đối với công việc này. Từ góc độ của một kỹ sư, đây là cách tiếp cận của người bình thường. Vật lý thực nghiệm là sự giao thoa giữa vật lý và kỹ thuật. Bạn phải có những kỹ sư đặc biệt mạo hiểm và các nhà vật lý có đầu óc thực tế để cộng tác, Hãy biến những điều này thành hiện thực, bởi vì những điều này không có trong sách giáo khoa. "
Về đích
Giờ đây, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng thiết kế và hệ thống thử nghiệm của họ có thể hoạt động với các phân tử triti, họ có một nhiệm vụ cấp bách phía trước. Một phần của nhóm đang thực hiện bước tiếp theo: xây dựng một hệ thống có thể tạo ra, làm mát và thu giữ từng nguyên tử triti riêng lẻ. Bước này khó khăn vì triti, giống như người anh em họ hydro dồi dào hơn của nó, thích hình thành các phân tử hơn. Những phân tử này sẽ khiến mục tiêu cuối cùng của nhóm Dự án 8 không thể đạt được. Được dẫn dắt bởi các nhà vật lý từ Đại học Mainz, các nhà nghiên cứu đang phát triển một giường thử nghiệm để tạo ra và thu giữ tritium nguyên tử bằng cách sử dụng một dãy nam châm phức tạp. Điều này ngăn không cho tritium nguyên tử tiếp xúc với thành tế bào mẫu - vì nó gần như chắc chắn sẽ trở lại dạng phân tử ở thành tế bào.
Những tiến bộ trong công nghệ này, cùng với việc nâng cấp toàn bộ thiết bị, sẽ là những bước quan trọng để đạt được và cuối cùng là vượt qua độ nhạy mà nhóm KATRIN đạt được.
Hiện tại, một nhóm nghiên cứu gồm các thành viên từ mười tổ chức nghiên cứu đang thử nghiệm các thiết kế để mở rộng quy mô thí nghiệm từ buồng mẫu cỡ hạt đậu lên buồng lớn hơn một nghìn lần. Ý tưởng là sử dụng các thiết bị nghe lớn hơn để ghi lại nhiều sự kiện phân rã beta hơn - từ kích thước bằng hạt đậu đến kích thước bằng quả bóng bãi biển.
"Dự án 8 không chỉ là một thử nghiệm CRES lớn hơn và tốt hơn, đây là thử nghiệm CRES đầu tiên và là thử nghiệm đầu tiên sử dụng loại công nghệ phát hiện này", Oblath nói. "Điều này chưa bao giờ được thực hiện trước đây. Hầu hết các thí nghiệm đều đã có tuổi đời 50 hoặc 100 năm, ít nhất là công nghệ phát hiện mà họ sử dụng và điều này thực sự mới."