Nằm sâu 1000 mét dưới núi Ikeno ở Nhật Bản, khung cảnh lung linh hệt như trong mơ của Super-Kamiokande (hay Super-K) là đài quan sát hat máy dò neutrino hay còn được các nhà vật lý gọi là "hạt ma", thuộc một trong số các loại hạt cơ bản cấu thành nên vật chất.
Sở dĩ có tên gọi là "hạt ma" vì neutrino có thể xuyên qua không gian vũ trụ và vật chất rắn mà không cần tương tác với các vật chất thông thường.
Nghiên cứu về hạt neutrino sẽ giúp các nhà khoa học có thể phát hiện được những ngôi sao đang sắp chết và tìm hiểu nhiều hơn về vũ trụ.
Tuy nhiên, các hạt Netrino lại rất khó phát hiện, đến mức nhà vật lý thiên văn Neil deGrasse gọi vui chúng là "con mồi khó nắm bắt nhất trong vũ trụ".
Căn phòng rộng lớn, được trang bị các máy dò nhạy nhất để phát hiện "hạt ma". Ảnh: ĐH Tokyo
Ông Neil deGrasse giải thích rằng do "cỗ máy" hay căn phòng phát hiện neutrino được đặt nằm sâu trong lòng đất để nhằm ngăn chặn các hạt khác xâm nhập vào.
"Vật chất không phải là trở ngai đối với neutrino. Trên thực tế, hạt neutrino có thể đi xuyên qua lớp thép dày bằng 100 năm ánh sáng mà không hề bị giảm tốc độ", ông deGrasse cho biết thêm.
Yoshi Uchida, nhà nghiên cứu tại ĐH Hoàng gia London, cho biết: "Nếu có một vụ nổ siêu tân binh, một ngôi sao sẽ sụp đổ vào trong và biến thành hố đen. Nếu quá trình đó xảy ra trong thiên hà của chúng ta, thì Super-K là một trong rất ít vật thể có thể quan sát hạt neutrino từ đó".
Thiết kế của cỗ máy Super-K, nằm sâu 1.000 mét dưới lòng đất. Ảnh: ĐH Tokyo
Trước khi một ngôi sao bắt đầu sụp đổ, nó bắn ra hạt neutrino, do vậy, Super-K đóng vai trò giống như một hệ thống cảnh báo sớm, giúp cho các nhà nghiên cứu biết về thời điểm có thể quan sát thấy sự kiện thiên văn độc đáo này.
Nhà nghiên cứu Uchida chia sẻ: "Kết quả từ những phép tính chỉ ra rằng cứ sau khoảng 30 năm thì sẽ có một vụ nổ siêu tân tinh xảy ra nằm trong phạm vi tầm quan sát của cỗ máy Super-K. Nếu bỏ lỡ thì bạn sẽ phải chờ đợi trung bình khoảng vài thập kỷ tới để nhìn thấy vụ nổ tiếp theo".
Bắn chùm hạt neutrino qua Nhật Bản
Không chỉ thu giữ các hạt neutrino rơi xuống từ vũ trụ, Super-K còn đón nhận chùm hạt neutrino bay ở khoảng cách 295km xuyên qua Trái Đất và được bắn ra từ thí nghiệm T2K ở Tokai, Nhật Bản.
Super-K là đài quan sát có thể phát hiện và nhận biết được thay đổi của các hạt neutrino. Ảnh: ĐH Tokyo
Theo các chuyên gia, việc nghiên cứu các hạt neutrino thay đổi hay dao động khi chúng đi qua vật chất có thể cho chúng ta biết thêm về nguồn gốc của vũ trụ, chẳng hạn như mối quan hệ giữa vật chất và phản vật chất.
Morgan Wascko, nhà nghiên cứu tại ĐH Hoàng gia London, chia sẻ: "Mô hình vụ nổ Big Bang của chúng tôi dự đoán rằng vật chất cân bằng với phản vật chất, nhưng hiện nay phần lớn phản vật chất đã biến mất theo cách này hay cách khác".
Cách thức Super-K phát hiện neutrino
Nằm sâu bên dưới mặt đất 1.000 mét, Super-K to lớn như một tòa nhà 15 tầng và trông giống như bể chứa khổng lồ chứa tưới 50.000 tấn nước siêu tinh khiết.
Theo Uchida, điều này xảy ra là vì khi di chuyển trong nước, hạt neutrino thậm chí còn chuyển động nhanh hơn cả ánh sáng. Chúng sẽ tạo ra ánh sáng giống như cách mà máy bay Concord sử dụng để tạo ra tiếng nổ siêu thanh.
Nhà nghiên cứu Uchida giải thích: "Nếu một máy bay di chuyển rất nhanh, nhanh hơn cả tốc độ âm thanh, thì nó sẽ tạo ra sóng xung kích theo cách mà vật thể chậm hơn không làm được. Tương tự khi một hạt di chuyển trong nước, nếu đi nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng trong nước thì nó cũng có thể tạo ra sóng xung kích ánh sáng".
Ống nhân quang được trang bị để dò ánh sáng trong Super-K. Ảnh: ĐH Tokyo
Căn phòng rộng lớn hay cỗ máy quy mô này được lắp 11.000 bóng màu vàng. Đây là những thiết bị dò ánh sáng cực nhạy, được gọi là ống nhân quang, và chúng có thể nhận biết các sóng xung kích này.
Wascko mô tả thiết bị này giống như "phiên bản ngược của bóng đèn". Sau khi được lắp đặt, chúng có thể phát hiện ra lượng ánh sáng cực nhỏ và chuyển đối thành dòng điện để có thể quan sát.
Nước tinh khiết trong Super-K: Sạch hết mức có thể
Theo các chuyên gia, để các sóng xung kích ánh sáng này chạm tới được các máy cảm biến, nước tinh khiết cần phải sạch hết mức co thể. Cụ thể, Super-K liên tục lọc và làm sạch nước trong đó, đến độ bắn tia UV để có thể tiêu diệt bất kỳ vi khuẩn nào.
Uchida giải thích: "Nước siêu tinh khiết sẵn sàng hòa tan mọi thứ được ngâm trong đó. Có đặc tính của axit và chất kiềm, nó là thứ rất đáng sợ. Nếu bạn ngâm mình trong nước tinh khiết ở Super-K, bạn sẽ bị tróc da một chút cho dù không mong muốn".
Ngoài ra, chuyên gia Wascko tiết lộ, khi Super-K cần bảo dưỡng, các nhà nghiên cứu sẽ cần chèo thuyền cao su nhỏ để tiến hành lắp đặt và thay thế cảm biến. Trên thực tế, công việc này không hề dễ dàng chút nào.
Việc thay thế và lắp đặt các cảm biến không hề đơn giản, các chuyên gia phải sử dụng một chiếc thuyền đặc biệt trong Super-K. Ảnh: ĐH Tokyo
Super-K 2.0: Xuất hiện cỗ máy dò neutrino vượt trội hơn
Cỗ máy Super-K có thể rất lớn, nhưng Wascko cho biết rằng một máy dò neutrino lớn hơn mang tên "Hyper-K" cũng đã được đề xuất xây dựng.
Nhà nghiên cứu Wascko cho biết thêm: "Chúng tôi đang cố gắng để thử nghiệm Hyper-K được thông qua và cỗ máy sẽ bắt đầu đi vào hoạt động vào khoảng năm 2026. Hyper-K sẽ lớn hơn gấp 20 lần so với cỗ máy Super-K về thể tích và được trang bị tới 99.000 ống nhân quang, vượt trội nhiều hơn so với con số 11.000 của Super-K".
Tham khảo nguồn: BI, Sciencealert