Lần đầu tiên đo chính xác năng lượng của Neutrino

Vừa qua, một nhóm các nhà khoa học thực hiện thí nghiệm MiniBooNE tại Phòng thí nghiệm Fermi của Bộ Năng lượng Mỹ đã công bố một phát hiện đột phá: xác nhận được chính xác năng lượng muon neutrino va chạm với nguyên tử tại trung tâm của cỗ máy dò các hạt cơ bản của họ.

Kết quả này đã giúp loại bỏ nhiều điều vẫn còn chưa chắc chắn khi kiểm tra các mô hình lý thuyết về tương tác neutrino và dao động neutrino. Công trình mới được xuất bản trên Physical Review Letters.

Joshua Spitz tại Đại học Michigan, cùng với Joseph Grange tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne Mỹ là những người đồng trưởng nhóm nghiên cứu. Joshua Spitz cho rằng: “Vấn đề về năng lượng neutrino rất quan trọng. Người ta khó có thể biết về năng lượng của một hạt neutrino và nó đã chuyển bao nhiêu năng lượng sang nguyên tử mà mình va chạm. Đây là lần đầu tiên nghiên cứu về hạt nhân thông qua hạt neutrino đạt được mục tiêu của mình".

Bề mặt bể dò MinoBooNE có thể nhặt các hạt ánh sáng phát ra khi neutrino tương tác hạt nhân. (Nguồn: Sciencedaily.com).

Để tìm hiểu nhiều thêm về hạt nhân, các nhà vật lý đã bắn các hạt vào các nguyên tử và đo đạc việc chúng va chạm và phân tán như thế nào. Nếu như năng lượng của một hạt đủ lớn, một hạt nhân bị nó va chạm có thể bị vỡ, do đó tiết lộ thông tin về các lực hạ nguyên tử giúp gắn kết các hạt nhân với nhau. Nhưng để đo đạc đúng lực tác động, các nhà khoa học cần biết chính xác năng lượng của hạt đã phá vỡ nguyên tử. Dù vậy, điều này gần như là không thể khi thực hiện các thí nghiệm với neutrino.

Vì neutrino không có điện tích, các nhà khoa học không có “bộ lọc” cho phép họ chọn các hạt neutrino có năng lượng riêng. Dù đó, các nhà khoa học của MiniBooNE đã đưa ra một cách làm đặc biệt để xác định được năng lượng của một số muon neutrino va chạm bằng máy dò của họ. Họ nhận ra, cỗ máy đã giữ được một số muon neutrino có năng lượng chính xác là 236 triệu electronvolts (MeV).

Các hạt Kaon mang năng lượng đã phân rã thành muon neutrino với chuỗi năng lượng. Bí quyết ở đây là việc xác định các hạt muon neutrino xuất hiện từ sự phân rã của kaon ở trạng thái nghỉ. Định luật bảo toàn năng lượng và momen đòi hỏi tất cả các muon neutrino xuất hiện từ sự phân rã kaon ở trạng thái nghỉ phải có năng lượng chính xác là 236 MeV.

Richard Van De Water của Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, người phát ngôn của MiniBooNE, giải thích: “Trong vật lý neutrino, không phải lúc nào bạn cũng biết được năng lượng của neutrino sắp xuất hiện. Với quan sát đầu tiên của MiniBooNE về muon neutrino đơn năng từ sự phân rã kaon, chúng ta có thể nghiên cứu sự tương tác của dòng điện tích với một thí nghiệm đã biết có thể cho phép các nhà lý thuyết cải tiến những mô hình của họ. Đây là một công trình quan trọng cho các chương trình neutrino ngắn hạn và dài hạn trong tương lai ở Fermilab".

Các phân tích này đã được kết nối với dữ liệu thu thập từ năm 2009-2011.

Spitz và các đồng nghiệp đang nghiên cứu kết quả của neutrino đơn năng tiếp theo. MicroBooNE - máy dò neutrino thứ hai được đặt gần MiniBooNE cũng nhận được muon neutrino từ bộ hấp thụ NuMI cách đó 102 mét.

Vì MicroBooNE sử dụng công nghệ argon lỏng để ghi lại các tương tác neutrino, Spitz lạc quan rằng dữ liệu từ MicroBooNE sẽ giúp cung cấp nhiều thông tin hơn – “MicroBooNE sẽ cung cấp các phép đo càng chính xác hơn về neutrino mang năng lượng. Các kết quả sẽ rất có giá trị cho các thí nghiệm dao động neutrino trong tương lai".