Nhóm thực nghiệm tìm kiếm về phía trước (FASER), do các nhà vật lý tại trường đại học California, Irvine, dẫn dắt, đã lần đầu tiên dò dược các ứng viên neutrino trên máy gia tốc hạt lớn LHC (Large Hadron Collider) đặt tại CERN gần Geneva, Thụy Sĩ.
Trong công bố xuất bản trên tạp chí Physical Review D, các nhà nghiên cứu đã miêu tả cách họ quan sát sáu tương tác của hạt neutrino trong một thực nghiệm được thực hiện bằng máy dò nhũ tương compact được lắp đặt tại LHC vào năm 2018.
“Trước khi dự án này thực hiện, không hề phát hiện ra tín hiệu nào của các hạt neutrino trên một máy gia tốc hạt”, đồng tác giả Jonathan Feng, giáo sư vật lý thiên văn UCI và là đồng dẫn dắt Nhóm hợp tác FASER, nói. “Đột phá đáng kể này là một bước tiến tới một hiểu biết sâu sắc hơn về các hạt khó nắm bắt và vai trò của chúng trong vũ trụ”.
Ông nói, khám phá này được thực hiện trong thực nghiệm mà nhóm nghiên cứu của ông đã có được hai phần thông tin quan trọng. “Thứ nhất, nó xác định vị trí của điểm tương tác ATLAS là địa điểm đúng cho việc dò các hạt neutrino”, Feng nói. “Thứ hai, nỗ lựa của chúng tôi trong việc thể hiện được sự hiểu quả của việc dùng máy dò nhu tương để quan sát các loại tương tác neutrino đó”.
Thiết bị thực nghiệm đã được làm bằng các tấm chì và tungsten đặt xen kẽ với các lớp nhũ tương. Trong suốt quá trình va chạm hạt tại LHC, một số hạt neutrino đã tạo ra sự va chạm vào các hạt nhân trong các kim loại, qua đó tạo thành các hạt di chuyển qua lớp nhũ tương và tạo ra các dấu vết có thể thấy trong quá trình xử lý. Các khắc vết đó cung cấp những manh mối về năng lượng của các hạt, các hương của chúng -tau, muon hay electron – và liệu chúng là các hạt neutrino hay phản neutrino.
Theo Feng, nhũ tương này được “trưng dụng” trong một cách tương tự như kỹ thuật chụp ảnh trong thời kỳ camera tiền số hóa. Khi tấm phim dày 35-millimeter được phơi sáng, các photon rời đi, tiết lộ như các mẫu hình. Các nhà nghiên cứu FASER đã có thể thấy các tương tác neutrino sau khi loại bỏ và phát triển các lớp nhũ tương trong máy dò.
Thực nghiệm FASER đã đặt vị trí 480 mét cách điểm đặt ATLAS ở LHC. Theo Jonathan Feng,đây là một địa điểm hợp lý cho dò neutrino, vốn là kết quả thu được từ những va chạm hạt tại LHC. (Nguồn: CERN)
“Để đạt được hiệu quả từ cách tiếp cận trên máy dò nhũ tương để quan sát những tương tác của các hạt neutrino được tạo ra trên một máy gia tốc hạt, nhóm nghiên cứu FASER hiện đang chuẩn bị một loạt thực nghiệm mới với một thiết bị hoàn thiện, không chỉ lớn hơn mà còn nhạy hơn một cách đáng kể”, Feng nói.
Kể từ năm 2019, anh và đồng nghiệp của mình đã sẵn sàng thực hiện một thực nghiệm với các công cụ của FASER để tìm hiểu về vật chất tối tại LHC. Họ đang hi vọng dò được các hạt photon tối, vốn có tể trao cho các nhà nghiên cứu cơ hội lần đầu tiên nhìn vào cách vật chất tối tương tác với các nguyên tử thông thường và những vật chất khác trong vũ trụ thông qua các lực phi hấp dẫn.
Với thành công của công trình về các hạt neutrino của mình trong vài năm trở lại đây, nhóm FASER - bao gồm 76 nhà vật lý ở 21 viện nghiên cứu từ chín quốc gia – đang kết hợp một máy dò nhũ tương mới với máy móc của FASER. Trong khi máy dò thử nghiệm nặng khoảng 64 pound thì thiết bị FASERnu sẽ vào khoảng trên 2.400 pound, và nó sẽ thêm phản ứng mạnh hơn và có khả năng phân biệt giữa các hạt neutrino.
“Được trao máy dò và địa điểm đặt đúng tại CERN, chúng tôi chơ đợi có thể ghi nhận hơn 10.000 tương tác neutrino trong lần thực hiện thí nghiệm mới tại LHC, bắt đầu vào năm 2022”, đồng tác giả David Casper, đồng dẫn dắt dự án FASER và là phó giáo sư vật lý và thiên văn tại UCI, nói. “Chúng tôi sẽ dò được những hạt neutrino có mức năng lượng lớn nhất từng được sinh ra từ một nguồn do con người tạo ra”.
Điều khiến cho FASERnu trở nên độc nhất vô nhị, ông nói, là trong khi các thực nghiệm khác đều có khả năng phân biệt giữa hai hoặc ba loại neutrino, nó sẽ có khả năng quan sát tất cả ba loại hương thêm vào các phản hạt của chúng – phản neutrino. Casper cho biết, trong lịch sử loài người thì chỉ có khoảng 10 lần quan sát được các hạt tau neutrino nhưng ông hi vọng, nhóm nghiên cứu của mình sẽ có thể nahan gấp đôi hoặc gấp ba con số này trong vài ba năm tới.
“Đây là mối liên hệ vô cùng tốt đẹp với truyền thống tại khoa vật lý tại UCI” Feng nói, “bởi vì nó liền mạch với di sản của Frederick Reines, một giảng viên sáng lập UCI và từng giành được giải Nobel vật lý do khám phá ra hạt neutrino”.
“Chúng tôi đã thực hiện một thí nghiệm đẳng cấp thế giới tại phòng thí nghiệm vật lý hạt tiên phong của thế giới trong thời gian kỷ lục và với những nguồn phi truyền thống”, Casper nói. “Chúng tôi đã nhận được khoản tài trơ lớn từ Quỹ Heising-Simons, Quỹ Simons, cũng như Hội Xúc tiến khoa học Nhật Bản và CERN”.
Savannah Shively và Jason Arakawa, nghiên cứu sinh vật lý và thiên văn học UCI cùng đóng góp vào công trình này.