Giáo trình Tìm hiểu hạt Nơtrino

Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 5 năm 2007 MỞ ĐẦU Nơtrinô là hạt bí ẩn nhất trong số các hạt mà ta biết được trong vũ trụ chúng cũng là những hạt ít được biết đến nhất. . Nó luôn cho ta nhiều bất ngờ. Các tiên đoán về sự tồn tại của hạt bí ẩn này về phương diện lý thuyết đã được Wolfgang Pauli công bố từ những năm 1930 nhưng mãi đến hơn 25 năm sau, năm 1956, nhóm nghiên cứu của nhà bác học Clyde Cowan mới ghi nhận được sự tồn tại của hạt này trong thực nghiệm. Sau sự phát hiện ra hạt bí ẩn này, các nhà vật lý đã dành khá nhiều thời gian để nghiên cứu các tính chất, đặc điểm cũng như các ứng dựng của hạt nơtrinô. Hạt nơtrinô không chỉ được ứng dụng khi quan sát các quá trình phóng xạ mà còn là một trong những tác nhân quan trọng giúp cho các nhà thiên văn vật lý quan sát nhân mặt trời. Mặt Trời cũng bức xạ vô số nơtrinô, sinh ra trong các phản ứng nhiệt hạch trong lòng của mình. Các nơtrinô này được sinh ra chỉ một lọai, nhưng trong quá trình di chuyển đến Trái Đất, chúng lại biến qua hai loại kia một cách bí ẩn. Hơn nữa, việc thu nhận các bức xạ từ ngoài vũ trụ (trong đó có nơtrinô) là một trong những nguồn nghiên cứu của các nhà bác học nhằm tìm hiểu lịch sử hình thành vũ trụ cũng như khám phá thêm các bí ẩn về cuộc sống này. Gần đây, một số nghiên cứu đã công bố một số khám phá mới về hạt nơtrinô. Cụ thể là nơtrinô có khối lượng chứ không phải là không khối lượng nhưng đã được tiên đoán. Các nơtrinô có khối lượng, nhưng hạt nơtrinô nặng nhất cũng chỉ bằng một phần triệu khối lượng của hạt tích điện nhẹ nhất. Việc neutrino có khối lượng nhỏ như vậy có thể là do chúng nhận được khối lượng từ một quy luật vật lý còn chưa biết, có thể liên quan đến lực thống nhất. Việc khảo sát chi tiết các tính chất hạt nơtrinô - khối lượng, cách thức chúng biến từ lọai này qua loại kia, và chúng có phải là phản hạt của chính mình không, v.v - sẽ cho ta biết nơtrinô có phải là hạt vật chất thông thường không, hay lại là cái gì khác. Như vậy, ngành vật lý có thêm một hướng mới cũng như có thêm một nhiệm vụ mới, giải thích sự tồn tại khối lượng của hạt này trong các mô hình vũ trụ. Ngoài ra, Các nhà khoa học cần suy tính tới việc các quá trình vật lý trước đây có sự thay đổi hay không khi xuất hiện hạt nơtrinô có khối lượng? Trong tiều luận này, việc nghiên cứu hạt nơtrinô chỉ nhằm mục đích có thêm nhiều thông tin về hạt này. Do đó, tiểu luận bao gồm những nội dung chính sau đây: - Lịch sử khám phá ra hạt nơtrinô - Các đặc tính của hạt nơtrinô - Các nguồn phát nơtrinô chủ yếu - Việc thu nhận hạt nơtrinô trong các phòng thí nghiệm trên thề giới I. Lịch sử khám phá ra hạt nơtrinô 1. Giai đoạn trước nơtrinô Lịch sử khám phá ra hạt nơtrinô gắn liền với quá trình phóng xạ vì vậy trước hết cần điểm qua vài móc lịch sử trước khi con người tìm ra nơtrinô. Năm 1896 Henri Becquerel phát hiện ra hiện tượng phóng xạ từ các muối Urani, sau đó vợ chồng nhà bác học Pierre và Marie Curie đã tách được Radi nguyên chất, một nguyên tố phóng xạ mạnh hơn Urani. Năm 1899 Rutherford đã chỉ ra có hai loại phóng xạ là alpha và beta, đến năm 1900 Villard đã tìm ra loại thứ ba gọi là phóng xạ gamma. Năm 1902, vợ chồng Pierre và Marie Curie đã xác nhận chum phóng xạ beta thực chất là chùm electron, liên tiếp bản chất các chùm phóng xạ alpha cũng được xác nhận là các hạt nhân của He, và phóng xạ gamma là những photon mang năng lượng lớn (vài MeV). Chùm phóng xạ beta (là các electron) được tiên đoán chỉ là chùm electron được giải phóng đáng lý phải có giá trị năng lượng phù hợp với định luật bảo toàn. Tuy nhiên, sau khi nghiên cứu kĩ lưỡng, nhóm khoa học Lise Meitner, Otto Hahn, Wilson and von Baeyer, James Chadwick đã chỉ ra rằng năng lượng của các electron nằm trong miền liên tục. Việc tiếp tục tin vào định luật bảo toàn năng lượng hay không là một vấn đề được bàn cãi thời bấy giờ. Nhà bác học Niels Bohr vẫn tin vào định luật tổng quát này nhưng phải đợ đến năm 1930, Wolfgang Pauli mới đưa ra lời giải cho bài toán này. 2. Giai đoạn 1930 – 1940: khai sinh ra nơtrinô Hiện tại, chúng ta được biết hạt nơtrinô đã từng có 15 tỉ năm về trước, sau khi vũ trụ ra đời. Từ lúc đó, vũ trụ lien tục giãn nở, lạnh đi và các nơtrinô bắn theo mọi hướng. Về phương diện lý thuyết, các nơtrinô này hiện nay rất nhiều và chúng tham gia cấu thành bức xạ nền vũ trụ (nhiệt độ khoảng 1.9K). Ngoài ra các hạt nơtrinô khác cũng được sinh ra trong các ngôi sao hay trong các vụ nỗ. Tuy nhiên, ý tưởng về nơrinô chỉ xuất hiện vào năm 1930, khi Pauli đang ra sức bảo vệ định luật bảo toàn năng lượng. Ngày 4 tháng 12 năm 1930, tại hội thảo ở Tubingen, Pauli đã đọc tham luận của mình trong đó có nêu ra ý tưởng về hạt mới. Năm 1932, J. Chadwick phát hiện ra hạt nơtron, tuy nhiên nơtron nặng và khong phù hợp với các tiên đoán của Pauli. Năm 1933, tại hội nghỉ ở Bruxelles, Pauli mô tả hạt này như sau: “Khối lượng của chúng nhẹ hơn nhiều rất lần khối lượng electron. Để phân biệt với hạt nơtron, ông Fermi đã đề nghị gọi là nơtrino (neutrinos). Khối lượng của chúng cò thề bằng không, tôi chắc rằng spin bằng 1/2. Chúng ta không biết gì về tương tác của chúng với những hạt vật chất khác và với photon. Giả thiết chúng có thể có momen từ.” Năm 1933, F.Perrin chỉ ra rằng khối lượng của nơtrinô phải nhỏ rất nhiều khôi lưởng của electron. Trong năm đó, Anderson khám phá ra hạt positron, phản hạt đầu tiên của vật chất đã được Dirac tiên đoán lý thuyết. Khám phá này càng làm cho lý thuyết về nơtrinô của Pauli và Fermi thêm đảm bảo. Cuối năm 1933, Frederic Joliot-Curie phát hiện ra phóng xạ beta cộng (phát ra positron), trong khi đó Enrico Fermi đã dùng già thiết về nơtrinô để xây dựng lý thuyết về hiện tượng phân rã bêta (trong tương tác yếu). Cuộc truy tìm hạt nơtrinô bắt đầu nhưng mọi người vẫn chưa thật sự quyết tâm đến khi Hans Bethe và Rudolf Peierls chỉ ra tiết diện tán xạ của nơtrinô với vật chất rất nhỏ: nhỏ hơn một tỉ lần so với tương tác của electron. Vì vậy, hạt nơtrnô tương tác quá yếu nên nó có thể đi xuyên qua trái đất mà không bị lệch hướng. 3. Giai đoạn 1935 – 1956 Đến cuối những năm 40, các nhà vật lý đã nổ lực để quan sát sự tán xạ ngược của nuclon trong suốt quá trình phân rả beta của nó. Tất cả các đại lượng đo đượng đều phù hợp với giả thiết chỉ một loại nơtrinô được phát ra từ electron. Tuy nhiên, không một phương quan sát nào có thể ghi nhận được do xác suất tương tác quá nhỏ. Các nhà bác học cần một nguồn rất lớn các hạt nơtrinô và các thiết bị thăm dò cũng rất lớn, rất nhạy. Năm 1939, Luis Alvarez cho thấy Triti (đồng vị hydro) có tính phóng xạ, và đến bây giờ nguồn phóng xạ beta từ Triti vẫn được sử dụng và cho giá trị khối lượng nơtrinô tốt nhất. Năm 1945, quả bom nguyên tử đầu tiên phát nổ và các nhà bác học đã nhận ra một nguồn năng lượng đáng kể từ nơtrinô. Frederick Reines, đang làm việc tại Los Alamos, trao đổi với Fermi về dự án đặt máy dò nơtrinô gần khu vực bom nổ. Năm 1952, Reines gặp Clyde Cowan và đã đồng ý sử dụng một nguồn nơtrinô an toàn hơn, dự án hạt nhân của Hanford, Washington. Các máy thăm dò lặp tức được xây dựng và cho kết quả vào mùa hè năm 1953. Tuy nhiên, tín hiệu cho ra không thuyết phục. Họ đã cố gắng thực hiện lại các thí nghiệm cho đến năm 1956 gần sông Savannah, Bắc Carolina. Các cải tiến lần này nhằm giảm tín hiệu nền và đã cho kết quả mĩ mãn. Các tín hiệu có thể thấy rõ qua máy dò trên nền bức xạ vũ trụ. Máy detecctor trong thí nghiệm năm 1953 4. Giai đoạn 1957 – 1962 Các nơtrinô được phóng ra trong các phản ứng hạt nhận chỉ là một loại nơtrinô, gọi là nơtrinô electron, vì chúng thường đi kèm với electron trong phân rã bêta. Có hay không các loại nơtrinô khác? Năm 1959, tại trường đại học Columbia, New York, đã bắt đầu xuất hiện các í tưởng về các loại nơtrinô khác. T.D. Lee và M. Schwartz nhận thấy khả năng sinh ra chùm nơtrinô từ phân rã của pion. T.D. Lee và C.N. Yang đã tính toán tiết diện tán xạ và đã có được máy thăm dò lý tưởng cho các thí nghiệm và kiểm chứng số lượng tử duyên do J. Cronin đề xướng. Năm 1960, Lee và Yang đã chứng minh rằng phản ứng loại eμ γ− −→ + không xảy ra vì có hai loại nơtrinô tồn tại. Cùng thời điểm đó, máy gia tốc của Brookhaven thu nhận được hàng trăm ngàn nơtrinô trên giờ nhưng chỉ khoảng 40 hạt được máy dò thu nhận. 6 trên 40 trường hợp được ghi nhận như electron, 34 hạt còn lại ghi nhận như muon. Vậy nơtrinô là một hạt khác vì nếu chúng cùng loại thì máy dò phải cho ra số lectron bằng số muon. 5. Giai đoạn 1963 – 1983. Khoảng những năm 60 và 70, electron và nơtrinô được sử dụng để tìm hiểu cấu trúc của nuclon. Những bằng chứng cho thấy có thể nuclon có cấu trúc quark vì vậy việc tìm ra hạt quark liên quan mật thiết đến hạt nơtrinô. Năm 1975 và 1976, các thí nghiệm tại CERN đã cho kết quả khả quan về cấu trúc quark của nuclon. Năm 1977, nhóm Leon Lederman đã phát hiện ra hạt quark b, đó là hạt quark thứ ba. Cũng trong thời gian đó, Martin Perl phát hiện ra hạt tau τ , là hạt lepton thứ ba. Các nhà vật lý nhận thấy có hạt nơtrinô tau τν nhưng đến năm 1998, vẫn không quan sát được bằng thực nghiệm. 6. Giai đoạn 1989 – 2000 Năm 1989, khi sử dụng một máy gia tốc mới tại CERN để nghiên cứu thời gian sống hạt Z boson đã chỉ ra rằng chỉ có ba loại nơtrinô tồn. Năm 1992, hai thí nghiệm tại CERN được xây dựng nhằm ghi nhận nơtrinô dao động với hi vọng sẽ thấy được τν trong chum μν sinh ra trong máy gia tốc. Các dữ liệu được lấy từ năm 1994 và đến năm 1998 mới cho kết quả ban đầu. Cũng trong năm 1998, các thí nghiệm ở Nhật Bản, Super-Kamiokande, đã cho thấy sự bất thường trong số hạt nơtrinô khí quyển và nơtrinô mặt trời. Kết quả này cho dự đoán là nơtrinô có thể có khối lượng khác không. Đến mùa hè năm 2000, phòng thí nghiệm DONUT của Fermilab công bố đã ghi nhận được hạt τν . Nghiên cứu nơtrinô va chạm proton. II. Các đặc tính hạt nơtrinô - Spin và điện tích: Nơtrinô có spin bán nguyên nên nó là hạt fermion. Vì là hạt lepton trung hoà điện, nên nơtrinô không tham gia tương tác mạnh cũng như tương tác điện từ, chỉ thông qua tương tác yếu và hấp dẫn. - Các đo đạt các đặt tính của hạt nơtrinô chủ yếu dựa vào việc quan sát phân rã của hạt Z boson. Hạt Z này có thể phân rã ra bất kì loại nơtrinô nào và phản hạt của nó và có thể có nhiều loại nơtrinô hơn, có thời gian sống ngắn hơn hạt Z. Việc đo đạt thời gian sống của hạt Z chỉ ra có 3 loại nơtrinô nhẹ ( nghĩa là có khối lượng nhỏ hơn 1/2 khối lượng hạt Z). Trong mô hình chuẩn, sử tương quan giữa 6 quark và 6 lepton (trong đó có 3 nơtrinô) đã hướng các nhà vật lý tới suy nghĩ là có 3 loại nơtrinô. Tuy nhiên, những bằng chứng thực chất của vấn đề tại sao chỉ có bai loại nơtrinô vẫn là bài toán chưa có lời giải thoả đáng. Fermion Kí hiệu Khối lượng Thế hệ thứ nhất (electron) Nơtrinô electron eν <2.2 eV Phản hạt nơtrinô electron eν <2.2 eV Thế hệ thứ hai (muon) Nơtrinô muon μν <170 keV Phản hạt nơtrinô muon μν <170 keV Thế hệ thứ ba (tau) Nơtrinô tau τν <15.5 MeV Phản hạt nơtrinô tau τν <15.5 MeV - Moment từ spin: Việc đo moment từ spin của nơtrinô đã được thực hiện tại các phòng thí nghiệm hạt nhân (năm 1976 tại Reines, 1992 Krasnoiarsk ) bằng cách quan sát sự tán xạ của chùm nơtrinô lên các electron trong nguyên tử. Với cách này, các nhà thực nghiệm chỉ có thể đo đạt được cận trên của moment từ cho eν là 5,8.10-20 MeV/Tesla. Việc đo đạt các đại lượng này cho μν và τν được làm từ các thí nghiệm trong máy gia tốc. Kết quả cụ thể : • Với eν : 101,8.10 Bμ μ−< • Với μν 107, 4.10 Bμ μ−< ] • Với τν 74, 2.10 Bμ μ−< - Khối lượng nơtrinô: Theo mô hình chuẩn, nơtrinô được giả thiết là không có khối lượng, mặt dù việc thêm khối lượng của nơtrinô vào mô hình không phải quá khó. Trên thực tế, tất cả các hiện tượng giải thích các thí nghiệm yêu cầu khối lượng của nơtrinô bằng không. Tuy nhiên, theo mô hình thuyết Big Bang tiên đoàn phải tồn tại một tỉ lệ phù hợp giữa số hạt nơtrinô và số photon trong bức xạ nền vũ trụ. Nếu tổng năng lượng của ba loại nơtrinô vượt quá giá trị trung bình 50 eV/nơtrinô, khối lượng trong vũ trụ sẽ quá nhiều dẫn tới suy sụp. Giá trị giới hạn có thể được loại trừ nếu giả thiết nơtrinô không bền, tuy nhiên với mô hình chuẩn thì điều này rất khó xảy ra. Một yêu cầu nghiêm ngặt khác từ việc phân tích các số liệu từ vũ trụ như bức xạ nền vũ trụ, việc nghiên cứu ngân hà, và phổ Lyman-alphacho thấy khối lượng nơtrinô phải nhỏ hơn 0.3 eV. Năm 1998, kết quả nghiên cứu tại máy dò nơtrinô Super-Kamiokande xác định rằng thực chất nơtrinô có những dao động “mùi” vì vậy có khối lượng. Các thí nghiệm chỉ nhạy với sự sai biệt bình phương khối lượng. Sự sai biệt này rất nhỏ, nhỏ hơn 0.05 eV (vào năm 2005). Hơn nữa, những yêu cầu ngụ ý rằng nơtrinô nặng nhất có khối lượng ít nhất là 0.05 eV nhưng không lớn hơn 0.3 eV. Ước lượng chính xác nhất cho sự khác biệt bình phương khối lượng của hai trạng thái của nơtrinô vào năm 2005 của nhóm KamLAND là . Năm 2006, phòng thí nghiệm MINOS đo đạt sự dao động từ chùm nơtrinô tau mạnh xác định sự sai biệt bình phương khối lượng của hai trạng thái 2 và 3 là phù hợp với kết quả của 2 21 0.000079 ( )mΔ = 2eV 2eV221 0.0031( )mΔ = Super- Kamiokande. Những nổ lực gần đây của các nhóm là xác định thang khối lượng tuyệt đối của nơtrinô trong phòng thí nghiệm. Các phương pháp được áp dụng bao gồm phân rã beta hạt nhân. Quan sát các tia vũ trụ *Một vài kết quả nghiên cứu của các nhóm: Khối lượng của eν (đơn vị eV) được xác định trong phân rã beta của Triti Ta thấy kết quả của Mainz và Trosisk chấp nhận được. - Tính phân cực: Các kết qủa thực nghiệm cho thất tất cả nơtrinô có phân cực trái (spin ngược chiều với moment) và các phản hạt nơtrinô đều phân cực phải. Trong giới hạn không khối lượng, chỉ có một hướng phân cực được quan sát. Tuy nhiên, sự tồn tại của nơtrinô có khối lượng làm cho vấn đề thêm phức tạp một chút. Nơtrinô được sinh ra trong tương tác yếu như trạng thái riêng của toán tử phân cực. Tuy nhiên, tính phân cực của nơtrinô có khối lượng không phải là không thây đổi trong quá trình chuyển động. Những nơtrinô tự do truyền đi như trạng thái chồng chập của hai trạng thái riêng phân cực trái và phân cực phải. - Sự chuyển đổi qua lại giữa các nơtrinô: Các hạt quark thật sự không phải là độc lập với nhau, có trạng thái trộn giữa các trạng thái đơn lẽ này. Tương tự các hạt nơtrinô cũng vậy, nếu chúng có khối lượng thì nơtrinô chuyển động trong không gian thật chất là trạng thái pha trộn giữa ba trạng thái eν , μν và τν theo các qui luật lượng tử. Điều này gọi là sự dao động giữa các nơtrinô. Sự chuyển đổi qua lại giữa các thế hệ nơtrinô có thể giúp để giải thích sự thiếu hụt trong các số liệu quan sát được của dòng nơtrinô mặt trời và cũng là mộttrong những bằng chứng cho thấy nơtrinô có khối lượng. Nhiều thí nghiệm trong các nhà máy hạt nhân cũngnhư trong các máy gia tốc đã cố gắng để thăm dò hướng này hơn 20 năm nhưng vẫn chưa cho kết quả khả quan. Gần đây, từ năm 1996 ngày càng nhiều công trình về sự chuyển đổi được công bố. III. Các nguồn nơtrinô 1. Nơtrinô mặt trời: Các nơtrinô này được sinh ra trong các quá trình nhiệt hạch trong các sao, có năng lượng khá nhỏ. 85% nơtrinô được sinh ra trong phản ứng 2 1 ep p H e ν++ → + + • Việc nghiên cứu lý thuyết về nơtrinô mặt trời: Tổng số hạt nơtrinô có thể được tính chính xác nhưng phổ năng lượng lại chứa nhiều bất định. Chuỗi phản ứng như sau Và kết quả phổ năng lượng • Nghiên cứu thực nghiệm: các nghiên cứu thực nghiệm chủ yếu dựa vào phương pháp hoá xạ. Trong đó nơtrinô tham gia các phản ứng hoặc Và sau đó dựa vào tính phóng xạ của hạt nhân Ar hoặc Ge xác định những đại lượng cần tính. 2. Nơtrinô sinh ra từ các hoạt động của con người Trong các nơtrinô này có những hạt mang năng lượng cao được tạo từ các máy gia tốc và các hạt năng lượng thấp sinh ra trong các phản ứng hạt nhân. Loại đầu tiên có thể đạt năng lượng 110GeV dùng để nghiên cứu cấu trúc nuclon và tương tác yếu. Loại thứ hai được tạo ra trong nhân của các lò phàn ứng ( một lò hạt nhân chuẩn có thể phát ra nơtrinô/giây) và có nănglượng 4MeV. Các 205.10 nơtrinô này được sử dụng đầu tiên để thăm dò và đưa các giá trị giới hạn cho nơtrinô dao động. 3. Nơtrinô từ trái đất Từ khi trái đất sinh ra, đã có sẵn các hạt nhân nguyên tử có tính phóng xạ, chúng gọi là phóng xạ tự nhiên. Các chất phóng xạ này khá quan trọng nhưng ít được biết đến, các đóng góp chính của chúng là giữ vật chất dưới lớp vỏ trái đất ở trạng thái nóng chảy. Công suất của các phóng xạ này khoảng 20000 Giga Wat (tương đương 20000 nhà máy hạt nhân), các nơtrinô sinh ra rất nhiều khoảng 6 triệu/giây/cm2 . Tuy nhiên các nơtrinô này thường bị hoà lẫn vào trong các nơtrinô được sinh ra trong các nhà máy hạt nhân. 4. Nơtrinô từ các tia vũ trụ Khi các tia vũ trụ xuyên qua khí quyển, nó sẽ tương tác với hạt nhân nguyên tử và sẽ sinh ra các “cơn mưa hạt”. Cũng tuân theo các qui luật sinh ra nơtrinô trong các phòng thì nghiệm, các nơtrinô được tạo ra và gọi là nơtrinô khí quyển. Một vài phòng thí nghiệm như Kamiokande và Super-Kamiomande ờ Nhật đã quan sát sự dao động của các nơtrinô này và cho kết quả năm 1998 khả quan. 5. Nơtrinô từ Big Bang Mô hình chuẩn của Big Bang dự đoán, giống như photon, cũng có bức xạ nền của nơtrinô. Cho đến hiện tại, các nơtrinô này vẫn chưa được tìm thấy. Các nơtrinô này rất nhiều, khoảng 330 nơtrinô/ cm3. Năng lượng của các nơtrinô này khá nhỏ (khoảng 0.0004 eV) vì vậy mà không có thí nghiệm nào, mặt dù rất lớn có thể nhận ra chúng. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. 2. 3. 4. 5.