Trung Quốc chôn một quả cầu chứa 20.000 tấn chất lỏng phát quang ở độ sâu 700 mét: Chuyện gì đang xảy ra?

Ở độ sâu 700 mét dưới lòng đất, sâu trong một ngọn núi yên tĩnh ở Giang Môn, Quảng Đông, một quả cầu thủy tinh có đường kính hơn 35 mét đang lặng lẽ thu thập các "hạt ma" từ vũ trụ - neutrino.

Ngày 26/8, thí nghiệm Neutrino Giang Môn (JUNO) chính thức bắt đầu thu thập dữ liệu. Cơ sở khoa học lớn này được xây dựng trong hơn một thập kỷ. Dự án sẽ giải quyết một trong những câu hỏi cấp bách nhất của vật lý hạt trong thập kỷ tới: sự sắp xếp khối lượng neutrino.

Neutrino là một trong những hạt cơ bản cấu thành nên thế giới vật chất. Chúng cũng là những hạt lâu đời nhất và nhiều nhất trong vũ trụ. Chúng đã lan tỏa trong vũ trụ kể từ Vụ Nổ Lớn. Chúng hiện diện khắp nơi nhưng lại "khó nắm bắt" và hầu như không phản ứng với bất kỳ vật chất nào. Kết quả là, con người không chỉ không thể nhìn thấy chúng mà ngay cả việc phát hiện ra chúng cũng rất khó khăn.

Phải đến năm 1956, con người mới lần đầu tiên phát hiện ra neutrino trong lò phản ứng hạt nhân. Kể từ đó, neutrino đã trở thành một chủ đề quan trọng trong nghiên cứu vật lý, nhưng vẫn còn nhiều bí ẩn.

Sự chuẩn bị kéo dài hơn một thập kỷ

Neutrino giống như một bí ẩn mà vũ trụ để lại cho nhân loại. Ngay từ năm 2003, Trung Quốc đã trình diễn và thiết kế thế hệ thiết bị thí nghiệm neutrino đầu tiên - thí nghiệm neutrino Vịnh Đại Á.

Cấu trúc chính của nó bao gồm một phòng điều khiển trên mặt đất và năm phòng thí nghiệm ngầm, với khoảng cách thẳng đứng giữa bề mặt và các phòng thí nghiệm ngầm đạt độ sâu tối đa là 320 mét. Vào cuối năm 2011, thí nghiệm neutrino Vịnh Đại Á bắt đầu hoạt động trước thời hạn với sáu máy dò. Dự án này đã chính thức ngừng hoạt động vào cuối năm 2020.

Đến nay, thí nghiệm neutrino Giang Môn đã tiếp quản trọng trách. Nó không chỉ trả lời câu hỏi về trật tự khối lượng neutrino mà còn đo các thông số dao động neutrino với độ chính xác cao hơn, đồng thời khám phá nghiên cứu về neutrino siêu tân tinh, neutrino mặt đất và neutrino mặt trời.

Thí nghiệm Neutrino Giang Môn (JNIE) do Viện Vật lý Năng lượng Cao thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) dẫn đầu, với sự hợp tác của khoảng 700 nhà nghiên cứu đến từ 17 quốc gia và khu vực. Từ những "hạt ma" vô hình và vô hình cho đến việc dần hé lộ những bí ẩn của chúng, JNIE là một cánh cửa mới dẫn vào vũ trụ chưa được khám phá.

Lõi của máy dò trong thí nghiệm neutrino Giang Môn là một quả cầu thủy tinh chứa 20.000 tấn chất lỏng phát quang, và lớp vỏ ngoài được khảm hàng chục nghìn ống nhân quang điện. Khi neutrino phản ứng với nó, nó sẽ phát ra tín hiệu ánh sáng yếu - những tín hiệu này sẽ được khuếch đại, ghi lại và phân tích, giống như lắng nghe tiếng thì thầm của vũ trụ dưới đáy biển sâu.

Máy dò trung tâm của thiết bị được đặt ở trung tâm của một hồ bơi sâu 44 mét bên trong phòng thí nghiệm ngầm. Trong quá trình xây dựng, nhóm dự án đầu tiên đã đổ đầy nước siêu tinh khiết vào bên trong và bên ngoài quả cầu thủy tinh, sau đó thay thế nước bằng chất lỏng nhấp nháy. Điều này đảm bảo độ sạch, độ trong suốt và nền phóng xạ cực thấp. Sau khi hoàn tất việc đổ đầy, máy dò ngay lập tức bước vào giai đoạn thu thập dữ liệu hoạt động.

Việc chuẩn bị và xây dựng cơ sở này mất hơn một thập kỷ, với hàng trăm kỹ sư và kỹ thuật viên miệt mài làm việc dưới lòng đất. Nhóm các nhà nghiên cứu sắp mở ra một cánh cửa mới vào thế giới neutrino. So với các thí nghiệm quốc tế tương tự, thí nghiệm neutrino Giang Môn có quy mô lớn hơn và chính xác hơn, cho phép nó giải quyết một vấn đề lớn trong vật lý hạt trong thập kỷ tới: phân loại khối lượng neutrino.

Tương lai đầy hứa hẹn

Mỗi bước trong quá trình chế tạo một máy dò có độ chính xác cao như vậy đều là một thách thức. Ma Xiaoyan, kỹ sư trưởng của Thí nghiệm Neutrino Giang Môn, giải thích rằng nhóm dự án đã hoàn thành việc đổ hơn 60.000 tấn nước siêu tinh khiết trong 45 ngày, kiểm soát chênh lệch mực nước giữa các quả cầu thủy tinh hữu cơ bên trong và bên ngoài đến từng centimet và đảm bảo độ lệch lưu lượng không quá 0,5%, đảm bảo hiệu quả an toàn và ổn định cho kết cấu chính của máy dò.

"Đây là lần đầu tiên trên thế giới, một cơ sở khoa học quy mô lớn chuyên nghiên cứu neutrino có độ chính xác cực cao và quy mô cực lớn như vậy được vận hành, cho phép chúng ta trả lời những câu hỏi cơ bản về bản chất của vật chất và vũ trụ", Wang Yifang, viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và là nhà khoa học trưởng của thí nghiệm neutrino Giang Môn, cho biết.

Theo kế hoạch, thí nghiệm neutrino Giang Môn được thiết kế để có tuổi thọ lên đến 30 năm. Sau đó, nó có thể được nâng cấp và chuyển đổi thành thí nghiệm phân rã beta kép không neutrino. Nó sẽ phát hiện khối lượng tuyệt đối của neutrino và kiểm tra xem neutrino có phải là hạt Majorana hay không, từ đó giải quyết các vấn đề giao thoa tiên tiến của vật lý hạt, vật lý thiên văn và vũ trụ học.