Giới Thiệu Về Neutrino - IFIRSE

Dấu hiệu vi phạm đối xứng vật chất - phản vật chất từ NEUTRINO

Một câu hỏi cơ bản về sự hình thành của Vũ Trụ là làm thế nào mà vật chất lại có nhiều hơn phản vật chất. Người ta cho rằng sự mất cân đối này có liên quan đến sự vi phạm (các định luật) vật lý cơ bản. Các định luật vật lý về cơ bản là đối xứng -tức là những gì diễn ra đúng với các hạt vật chất trong Vũ Trụ của chúng ta cũng phải đúng với các hạt phản vật chất trong vũ trụ “gương". Nhưng điều này không phải lúc nào cũng đúng, và nó đã được chứng minh rằng các hạt quark không hành xử hoàn toàn giống như các hình ảnh gương của các phản-quark. Vi phạm đối xứng như vậy - được gọi là vi phạm liên hợp điện tích và đảo ngược chẵn lẻ (CP) - chưa được chứng minh cho các hạt lớp lepton, lớp hạt cơ bản bao gồm electron, muon và neutrino. Tập san Nature lần này đem đến một bước tiến đáng kể trong việc tìm kiếm vi phạm này, khi thí nghiệm T2K công bố các phép đo về sự khác biệt giữa neutrino và phản-neutrino với độ tin cậy 99.7%, dẫn đến dấu hiệu vi phạm CP ở mức độ tin cậy 95%. Sử dụng máy dò Super-Kamiokande để bắt neutrino được phát ra cách xa 295 km tại tổ hợp máy gia tốc J-PARC ở Tokai, Nhật Bản, nhóm nghiên cứu xác định rằng xác suất để muon neutrino trở thành neutrino electron dường như khác với xác suất một phản-neutrino muon để trở thành một phản-neutrino electron, do đó cung cấp một dấu hiệu vi phạm CP trong lớp lepton. Nếu được xác nhận bằng các phép đo chính xác hơn trong tương lai, vi phạm này có thể giúp chỉ ra cách giải thích về việc vật chất nhiều hơn phản vật chất được hình thành trong Vũ Trụ của chúng ta như thế nào.

DOI: 10.1038/s41586-020-2177-0 Nature Vol. 580, pp. 339-344

Muốn tìm hiểu thêm về Neutrino?

Mỗi giây có ~9 nghìn tỉ (9x1013) hạt neutrino từ mặt trời (solar neutrinos) đi qua lòng bàn tay bạn mà bạn không hề hay biết gì.

Xem tiếp

Bạn có biết cái gì làm Mặt trời toả sáng?

Hình ảnh Mặt Trời được xây dựng bởi các neutrino quan sát qua lăng kính là máy dò Super-Kamiokande nằm sâu khoảng 1km dưới lòng đất, chưa bao giờ nhìn thấy ánh sáng Mặt Trời.

Tại sao với neutrino, mọi thứ như thể vô hình vậy?

Đó là do năng lượng được sinh ra khi 4 hạt nhân Hydro tổng hợp thành Helium trong lõi của Mặt Trời. Ngoài năng lượng này, phản ứng còn sinh ra positron và neutrino. Do mật độ rất dày đặc bên trong lõi Mặt Trời, phải mất khoảng 100 nghìn năm để ánh sáng sinh ra từ lõi đi đến bề mặt của Mặt Trời. Trong khi đó, neutrino chỉ mất 2.3s để thoát khỏi Mặt Trời và mất khoảng hơn 8 phút để đi đến Trái Đất.

Neutrino được biết đến như là đứa bé nhút nhát, khó gần nhất Vũ Trụ. Chúng có thể đi qua toàn bộ Trái Đất mà không để lại dấu vết gì. Dẫu có hàng ngàn tỷ hạt neutrino đi qua cơ thể chúng ta, với neutrino, chúng ta không hề tồn tại.

Đó là bởi neutrino chỉ tham gia hai trong số 4 tương tác cơ bản mà loài người biết đến: tương tác yếu và tương tác hấp dẫn. Như thể neutrino có ngôn ngữ riêng của người ngoài hành tinh, trong khi ánh sáng, electron, proton sử dụng tiếng Anh để tương tác vậy.

Cũng bởi vì neutrino tương tác rất yếu với vật chất, việc phát hiện và nghiên cứu neutrino là tương đối khó khăn. Làm thế nào để bắt được neutrino?

Làm thế nào để bắt được neutrino?

Giống như bạn muốn nói tiếng Việt với một ai đó, bạn cần đến Việt Nam và ở các thành phố đông đúc để có nhiều cơ hội tương tác. Neutrino rất khó gần và vì vậy để bắt được nó, thường cần đến những máy đo có kích thước rất lớn: như trong hình nền là máy đo NOvA ở Mỹ với kích thước của một chiếc máy bay Airbus. Hoặc (đồng thời) người ta phải sử dụng hoặc tạo ra một nguồn rất lớn các neutrino. Các máy gia tốc ở Fermilab, Mỹ hay J-PARC, Nhật được sử dụng với mục đích tạo ra những nguồn neutrino như thế.

Vai trò của neutrino trong Vũ Trụ?

Làm sao biết đó là neutrino? Khi neutrino tương tác yếu với vật chất, những đốm sáng rất yếu như những con đom đóm sẽ loé lên trong chớp mắt. Máy đo với những con mắt phải đủ nhạy để có thể bắt được những đốm sáng yếu đó. Hình ảnh thu được sẽ cho phép biết đó có phải neutrino hay không.

Neutrino là một trong những hạt cơ bản cấu thành nên vật chất, giống như hạt electron mà chúng ta vẫn quen biết. Neutrino có khối lượng rất nhỏ, cở 1 phần tỷ khối lượng proton. Nhưng vì mật độ neutrino trong Vũ Trụ là rất lớn, khoảng 330 hạt trên cm3 , lớn gấp một tỷ lần mật độ của proton tổng khối lượng của neutrino là cỡ khối lượng của tất cả các ngôi sao gộp lại

Neutrino chắc hẳn phải có vai trò rất lớn trong sự tiến triển của Vũ Trụ

Neutrino có thể là chìa khoá cho sự hình thành Vũ Trụ?

Các định luật vật lý về cơ bản là đối xứng giữa vật chất và phản vật chất. Sau vụ nổ lớn Big Bang, người ta cho rằng số lượng vật chất và phản vật chất là như nhau. Khi vật chất gặp phản vật chất, chúng sẽ phân huỷ lẫn nhau. Vậy tại sao chúng ta có được Vũ Trụ vật chất với vô vàn ngôi sao như được nhìn thấy?

Tìm hiểu thêm

Người ta cho rằng sự mất cân đối giữa vật chất và phản vật chất liên quan đến vi pham một đối xứng cơ bản giữa chúng, gọi là đối xứng gương hay còn gọi là đối xứng CP. Tưởng tượng như một cô gái trẻ ngồi trước gương, mặc dù trong thực tế cô gái già đi theo thời gian, nhưng cô gái trong ngương không bị già đi. Sẽ rất tuyệt phải không? Nhưng chiếc gương đó đã mất đi tính đối xứng.

Neutrino có thể mang đến ích lợi thiết thực gì??

Trên thực tế, đã tìm thấy sự vi phạm đối xứng gương này ở các hạt quark. Tuy nhiên mức độ vi phạm là rất nhỏ để có thể giải thích được sự chênh lệch giữa vật chất và phản vật chất trong Vũ Trụ quan sát được. Như giới thiệu ở trang đầu, có dấu hiệu vi phạm CP ở neutrino và vi phạm này có thể ở mức độ lớn hơn nhiều so với hạt quark và vì vậy có thể giải thích bí mật lớn nhất của Vũ Trụ.

Neutrino có thể mang đến ích lợi thiết thực gì?

Tôi không nói rằng Neutrino sẽ là một thứ thiết thực, nhưng đó là một mô hình được tôn vinh theo thời gian: khoa học đi trước, và sau đó công nghệ xuất hiện, cùng với nhau tạo ra sự khác biệt to lớn trong cách chúng ta sống

Fredrick Reines, giải thưởng Nobel, đồng phát hiện ra neutrino, NYT 1997

• Neutrino cho phép bạn biết hiện trạng lõi của Mặt Trời như thế nào
• Neutrino cho phép bạn chụp hình (giống như một máy quét) toàn bộ Trái Đất
• Neutrino cho phép bạn nhìn sâu bên trong các lò phản ứng hạt nhân và trở thành một công cụ an ninh quốc gia: khi một quốc gia nào đó quyết định cho chạy lò phản ứng hạt nhân, ở một mức độ nào đó, sẽ không còn là bí mật bởi thông tin thu được từ neutrino
• Có thể bạn sẽ còn ngạc nhiên hơn khi nghe về năng lượng neutrino hay truyền thông neutrino

Tìm hiểu sâu hơn về neutrino?

Muốn tìm hiểu sâu hơn về neutrino?

Vui lòng click vào các danh mục dưới đây.

Lịch sử Neutrino Hiểu biết hiện tại Phá vỡ đối xứng CP

Những câu hỏi Tương lai của vật lý Neutrino Nhóm Neutrino, IFIRSE

Đăng ký lớp học Neutrino, 5-16 tháng 7, 2020

• Lịch Sử
• Hiện Tại
• Phá Vỡ CP
• Câu Hỏi
• Tương Lai
• Neutrino, IFIRSE

Xem tiếp

• Lịch Sử
• Hiện Tại
• Phá Vỡ CP
• Câu Hỏi
• Tương Lai
• Neutrino, IFIRSE

Hạt Cơ Bản Neutrino là hạt cơ bản, cũng tương tự như electron, quark và hạt ánh sáng (photon), không thể bị chia nhỏ thành những phần nhỏ hơn

Ba Loại Hạt Có 3 loại neutrino đã được phát hiện, tương ứng với 3 hương (flavor) lepton: electron neutrino, muon neutrino và tau neutrino

Dao Động Neutrino có thể thay đổi hương (flavor) lepton khi di chuyển. Hiện tượng này gọi là dao động neutrino. Hệ quả của hiện tượng này là neutrino có khối lượng và các trạng thái của chúng trộn với nhau. Đây là hiện tượng cơ lượng tử được thể hiện ở mức độ vĩ mô

Tìm hiểu thêm về dao động neutrino?

Khối Lượng Neutrino có khối lượng, nhưng giá trị tuyệt đối của chúng vẫn chưa được biết đến

Tương Tác Neutrino tương tác thông qua hai trong số bốn loại lực được biết đến: tương tác yếu và hấp dẫn.

• Lịch Sử
• Hiện Tại
• Phá Vỡ CP
• Câu Hỏi
• Tương Lai
• Neutrino, IFIRSE

Dao Động Neutrino Neutrino có thể thay đổi hương (flavor) lepton khi di chuyển. Hiện tượng này gọi là dao động neutrino. Hệ quả của hiện tượng này là neutrino có khối lượng và các trạng thái của chúng trộn với nhau. Đây là hiện tượng cơ lượng tử được thể hiện ở mức độ vĩ mô. Hiện tượng được mô tả bởi một ma trận trực giao (unitary)3x3, tham số hoá bởi 3 góc trộn và một pha vi phạm CP. Ngoài ra, độ lớn của dao động phụ thuộc vào hiệu bình phương khối lượng của các trạng thái neutrino riêng khối lượng.

Những tham số cơ bản cho dao động neutrino được đo trong nhiều năm qua từ các thí nghiệm neutrino. Các phép đo vẫn tiếp tục bởi 2 tham số quan trọng là pha CP và thứ bậc khối lượng vẫn chưa có câu trả lời cuối cùng. Tìm hiểu thêm về phá vỡ đối xứng CP?

• Lịch Sử
• Hiện Tại
• Phá Vỡ CP
• Câu Hỏi
• Tương Lai
• Neutrino, IFIRSE

Neutrino có thể tạo ra sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất như thế nào?

• Neutrino nặng (heavy neutrino) cỡ (10(9-14) gấp khối lượng proton) được tạo ra ngay sau vụ nổ lớn (Big Bang)
• Neutrino nặng phân rã taọ ra hạt Higgs và lepton và quá trình phân rã này phá vỡ đối xứng gương (CP), dẫn đến sự mất cân bằng số hạt lepton và phản-lepton trong Vũ Trụ
• Sự mất cân bằng giữa lepton và phản-lepton dẫn đến sự mất cân bằng giữa baryon và phản-baryon qua một quá trình gọi là sphaleron

*Neutrino nặng vẫn chưa được tìm thấy

Tìm hiểu thêm về phá vỡ đối xứng CP?

• Lịch Sử
• Hiện Tại
• Phá Vỡ CP
• Câu Hỏi
• Tương Lai
• Neutrino, IFIRSE

Phá vỡ đối xứng CP được đo như thế nào?

Ví dụ với thí nghiệm T2K: khi pha CP, δCP=0, chênh lệch giữa xác suất chuyển vị neutrino và phản-neutrino là nhỏ. Khi δCP=-900, sự chênh lệch này tăng lên đáng kể: xác xuất chuyển vị neutrino được tăng cường trong khi cho phản-neutrino, xác suất này giảm xuống.

Tìm hiểu thêm kết quả của thí nghiệm T2K?

Xác suất chuyển vị của neutrino, ví dụ từ muon neutrino thành electron neutrino được đo và so sánh với xác suất chuyển vị tương ứng của phản-neutrino. Ở trong môi trường chân không, sự khác nhau giữa hai xác suất này hoàn toàn là do vi phạm đối xứng CP gây ra. Tuy nhiên trong thực tế, một phần đóng góp cho sự khác nhau này đến từ sự khác nhau trong tương tác của neutrino và phản-neutrino với vật chất trong quá trình neutrino được truyền đi.

• Lịch Sử
• Hiện Tại
• Phá Vỡ CP
• Câu Hỏi
• Tương Lai
• Neutrino, IFIRSE

Kết quả đo pha vi phạm đối xứng CP của thí nghiệm T2K

• Có thể nhìn thấy ở bên, số liệu electron neutrino nhiều hơn đáng kể so với dự đoán khi δCP=0
• Số liệu electron phản-neutrino còn tương đối nhỏ để có thể kết luận.
• Theo tính toán thống kê thì khả năng δCP=0 bị loại trừ với độ tin cậy lớn hơn 95%. Đây là lần đầu tiên dấu hiệu vi phạm đối xứng CP được tìm thấy ở lớp lepton.

T2K cũng như các thí nghiệm neutrino khác cần có thêm số liệu để kiểm chứng kết quả với độ tin cậy cao hơn. Tìm hiểu thêm về những bí ẩn của neutrino

So sánh phân bố các sự kiện từ số liệu thực và mô phỏng được chọn là từ electron neutrino (trên) và từ electron phản-neutrino (dưới)

• Lịch Sử
• Hiện Tại
• Phá Vỡ CP
• Câu Hỏi
• Tương Lai
• Neutrino, IFIRSE

• Về bản chất và khối lượng neutrino

  • Neutrino là hoại hạt Dirac hay Majorana? Cơ chế sinh ra khối lượng cho neutrino là gì?
  • Khối lượng tuyệt đối của neutrino là bao nhiêu?
  • Thứ tự khối lượng của 3 trạng thái riêng khối lượng của neutrino là như thế nào?

  Tìm hiểu tương lai của vật lý neutrino?

• Về vi phạm đối xứng CP và ma trận trộn

  • Dao động neutrino có vi phạm đối xứng CP? Nếu câu trả lời là có, nó sẽ liên quan đến bất đối xứng vật chất - phản vật chất trong Vũ Trụ như thế nào?
  • Một trong 3 góc trộn có phải là cực đại? Nếu vậy, liệu có thể tồn tại một đối xứng mới giữa vị muon và vị tau?

• Những câu hỏi khác

  • Liệu có hơn 3 trạng thái riêng khối lượng (mass eigenstate) của neutrino? hay nói cách khác liệu có tồn tại neutrino “lạ”? (không tương tác với các hạt truyền tương tác yếu )
  • Liệu neutrino có tương tác mới (non-standard interaction), không được mô tả trong Mô Hình Chuẩn?
  • Liệu neutrino có phá vỡ những đối xứng cơ bản như Lorentz, CPT?

• Lịch Sử
• Hiện Tại
• Phá Vỡ CP
• Câu Hỏi
• Tương Lai
• Neutrino, IFIRSE

Những phát hiện đáng được chờ đợi với vật lý neutrino

• Vi phạm đối xứng CP : Mặc dù số liệu của T2K (đến năm 2018) cho thấy dấu hiệu của vi phạm này, để có thể khẳng định vẫn cần thêm nhiều số liệu nữa.
• Xác định thứ tự khối lượng của neutrino: Nếu thứ tự khối lượng là nghịch, phát hiện neutrino là hạt Majorana với phân rã beta đôi không neutrino
• Xác định khối lượng tuyệt đối của neutrino qua các quan sát Vũ Trụ học
• Neutrino và các thông tin qua các vụ nổ sao
• Xác định Vật chất tối qua thiên văn học với neutrino
• Sự tồn tại của neutrino lạ

Những thí nghiệm nào có thể mang đến những đột phá?

• Lịch Sử
• Hiện Tại
• Phá Vỡ CP
• Câu Hỏi
• Tương Lai
• Neutrino, IFIRSE

Các thí nghiệm với neutrino từ các máy gia tốc

các thí nghiệm với phân rã beta đôi không neutrino (neutrinoless double beta decay), hay các kính thiên văn neutrino (neutrino telescope) không được đề cập ở đây.

Lộ trình cho nghiên cứu neutrino với nguồn từ máy gia tốc https://icfa.fnal.gov/wp-content/uploads/2016-05-07-nuPanel-roadmap-Final.pdf

Nhóm Neutrino, IFIRSE?

• Lịch Sử
• Hiện Tại
• Phá Vỡ CP
• Câu Hỏi
• Tương Lai
• Neutrino, IFIRSE

Nhóm Neutrino thuộc Viện Nghiên Cứu Khoa Học và Giáo Dục Liên Ngành (IFIRSE) được thành lập vào ngày 17/7/2017 với một lễ ký kết biên bản ghi nhớ giữa IFIRSE với bốn giáo sư là chuyên gia về neutrino từ Nhật Bản.

Nếu các bạn quan tâm, xin ghé thăm https://ifirse.icise.vn/nugroup/ Công việc hiện tại của nhóm Neutrino

• Lịch Sử
• Hiện Tại
• Phá Vỡ CP
• Câu Hỏi
• Tương Lai
• Neutrino, IFIRSE

• Tham gia WAGASCI (bây giờ là một nhóm của T2K) (từ tháng 2, 2018) một thí nghiệm tập trung vào đo tương tác neutrino với hạt nhân.

Xây dựng phòng lab ở ICISE

Tham gia các thí nghiệm quốc tế

• Tham gia T2K từ tháng 10, 2017 cho đến nay. Đây là một thí nghiệm quốc tế đo giao động neutrino với nguồn từ máy gia tốc được đặt tại Nhật Bản. Thí nghiệm có khoảng 500 thành viên đến từ 12 quốc gia
  • Làm các chủ đề về mô phỏng tương tác neutrino
  • Đo dao động neutrino
  • Tham gia xây dựng thiết bị mới để giám sát dòng proton (beam profile monitor) không phá huỷ (non-destructive)

• Lịch Sử
• Hiện Tại
• Phá Vỡ CP
• Câu Hỏi
• Tương Lai
• Neutrino, IFIRSE

Xây dựng phòng thí nghiệm ở IFIRSE

• Tập trung vào sensor ánh sáng yếu có tên là MPPC (Multi-pixel Photon Counting) và các vật liệu phát quang (scintillator)
• Đo các tia vũ trụ (cosmic ray) với các hệ đếm cỡ nhỏ với MPPC, scintillator và các bộ chuyển đổi nhanh tín hiệu analog sang tín hiệu số (FADC)

Các hoạt động khác

• Tổ chức lớp học thường niên về neutrino, Vietnam School on Neutrinos (2020 là năm tổ chức thứ 4) để đào tạo và khuyến khích sinh viên và các nhà nghiên cứu trẻ tham gia vào vật lý neutrino .
• Tổ chức hội nghị quốc tế neutrino, International Symposium on Neutrino Frontiers (2018)

Lộ trình xây dựng và phát triển nhóm Neutrino

• Lịch Sử
• Hiện Tại
• Phá Vỡ CP
• Câu Hỏi
• Tương Lai
• Neutrino, IFIRSE

Lộ trình xây dựng và phát triển nhóm Neutrino

Tiếp tục làm việc với thí nghiệm T2K, JP

• Tìm kiếm phá vỡ CP trong dao động neutrino
• Đóng góp cho các chương trình hỗ trợ: đo chính xác nguồn neutrino, tương tác giữa neutrino với các hạt nhân.
• Chúng tôi cũng quan tâm đến các hiện tượng vật lý mới như phá vỡ đối xứng CPT, sự tồn tại của neutrino lạ

Phương hướng xây dựng phòng thí nghiệm ở IFIRSE

Dự định tham gia thí nghiệm Hyper-Kamiokande, JP

• Lớn hơn thí nghiệm Super-Kamiokande 8 lần với rất nhiều khám phá vật lý đáng được chờ đợi
• Bắt đầu xây dựng từ năm 2020 và dự kiến hoạt động từ năm 2027
• Cùng với mô phỏng và xử lý số liệu, chúng tôi dự định làm việc với PMT hay microPMT

• Lịch Sử
• Hiện Tại
• Phá Vỡ CP
• Câu Hỏi
• Tương Lai
• Neutrino, IFIRSE

Lộ trình xây dựng và phát triển nhóm Neutrino

Xây dựng phòng thí nghiệm

• Tập trung vào các sensor ánh sáng: MPPC; PMT hay microPMT
• Các vật liệu quang nhấp nháy: loại nhựa (plastic scintillator), loại lỏng pha nước (water-based liquid scintillator), hay loại đục (opaque scintillator)
• Xây dựng các hệ kiểm tra, các mô hình máy dò cỡ nhỏ

Điều quan trọng nhất là xây dựng nguồn lực tại chỗ với các kĩ năng làm việc cụ thể; đồng thời thu hút những nhà vật lý trẻ, có tâm huyết đang làm việc ở nước Ngoài

• Lịch Sử
• Hiện Tại
• Phá Vỡ CP
• Câu Hỏi
• Tương Lai
• Neutrino, IFIRSE

Xin chân thành cảm ơn

https://ifirse.icise.vn/nugroup/ Quay lại từ đầu Đăng ký lớp học Neutrino, 5-16 tháng 7, 2020