Hành trình chôn 5.000 camera xuống băng Nam Cực săn “hạt ma” vũ trụ

Năm 2026, khi Giáo sư Francis Halzen nhận giải Nobel Vật lý nhờ công trình Kính thiên văn Neutrino IceCube, truyền thông thế giới tập trung chú ý vào đài thiên văn khổng lồ nằm sâu dưới lớp băng Nam Cực. Nhưng đằng sau giải thưởng cao quý là một câu chuyện ít người biết đến: dự án bắt đầu từ cái gật đầu hợp tác vào thập niên 1980 giữa ông và Giáo sư P. Buford Price thuộc Đại học California, Berkeley. Khi đó, ý tưởng biến hàng triệu mét khối băng tự nhiên thành một cỗ máy săn các hạt vi mô kỳ lạ bị không ít người hoài nghi. Để ghi lại vết tích của hạt neutrino — còn được mệnh danh là “hạt ma” — các nhà khoa học đã phải vượt qua vô vàn rào cản kỹ thuật, khoan sâu vào lòng băng Nam Cực để đặt các camera nhạy sáng, mở ra một kỷ nguyên mới cho vật lý thiên văn. [1]

“Hạt ma” vũ trụ và bài toán truy tìm nguồn gốc tia vũ trụ

Trong vật lý học, hạt neutrino là một trong những thành phần căn bản nhưng vô cùng bí ẩn của vũ trụ. Chúng tồn tại với số lượng cực kỳ dồi dào, song hầu như không tương tác với các dạng vật chất khác. Hàng tỷ hạt neutrino xuyên qua Trái Đất và cơ thể con người mỗi giây mà không để lại bất kỳ dấu vết nào, khiến việc phát hiện chúng trở thành thách thức lớn đối với giới khoa học. Tuy nhiên, chính đặc tính trôi dạt tự do này lại biến neutrino thành chìa khóa giải mã bí ẩn về các tia vũ trụ năng lượng cao. [1]

Từ lâu, các nhà nghiên cứu đã trăn trở trước câu hỏi những hạt tia vũ trụ mang năng lượng khủng khiếp đến từ đâu trong không gian. Các tia vũ trụ thông thường mang điện tích, do đó đường đi của chúng dễ dàng bị các từ trường hỗn loạn trong vũ trụ làm chệch hướng, khiến con người không thể lần ngược lại vị trí xuất phát. Trái lại, hạt neutrino không mang điện tích và di chuyển theo đường thẳng tuyệt đối từ nguồn phát tới Trái Đất. Tìm ra hạt neutrino năng lượng cao đồng nghĩa với việc nắm trong tay tấm bản đồ chỉ thẳng về nơi khai sinh ra các hiện tượng thiên văn dữ dội nhất ngoài vũ trụ. [1]

Thử nghiệm bị lãng quên tại Greenland và độ sâu 1,4 km dưới lòng băng

Ý tưởng sử dụng môi trường tự nhiên làm bộ thu tín hiệu hạt neutrino năng lượng cao ban đầu gặp nhiều nghi ngại, bởi nhiều chuyên gia cho rằng môi trường nước biển hoặc nước hồ trong suốt sẽ thích hợp hơn băng giá. Dù vậy, nhóm nghiên cứu tại Berkeley do Giáo sư Buford Price dẫn dắt đã nghiêm túc theo đuổi tính khả thi của băng tự nhiên. Trong chuyến đi Nam Cực để lắp đặt thiết bị đo tia vũ trụ, các nhà khoa học đã tranh thủ khoan những lỗ thử nghiệm đầu tiên xuống băng. Kết quả ban đầu khá phức tạp: khối băng ở độ nông chứa rất nhiều bọt khí li ti, khiến ánh sáng bị tán xạ mạnh và không thể truyền đi xa. [1]

Để chứng minh giả thuyết rằng áp suất lớn ở độ sâu cực đại sẽ nén nát các bọt khí, nhóm nghiên cứu tiếp tục thực hiện các phép đo tại Greenland vào năm 1991. Thử nghiệm này khẳng định băng tự nhiên ở độ sâu thích hợp có độ trong suốt phi thường, đủ điều kiện cho ánh sáng truyền qua quãng đường dài mà không bị lệch hướng. Các nhà khoa học xác định được rằng ở độ sâu khoảng 1,4 km bên dưới bề mặt Nam Cực, toàn bộ bọt khí hoàn toàn biến mất. Đây chính là mốc độ sâu lý tưởng để dựng nên một kính thiên văn có thể vạch ra đường thẳng chính xác từ tia sáng thu được ngược về nguồn gốc của hạt trong không gian. [1]

Bức xạ Cherenkov: Ánh sáng xanh lóe lên trong bóng tối vĩnh cửu

Cơ chế hoạt động của kính thiên văn IceCube dựa trên một hiện tượng vật lý thú vị: bức xạ Cherenkov. Khi một hạt neutrino năng lượng cao từ vũ trụ lao xuống Nam Cực và hiếm hoi va chạm với hạt nhân nguyên tử trong khối băng tinh khiết, cuộc va chạm này tạo ra các hạt mang điện tích mới, thường là hạt muon — một dạng hạt tương tự electron nhưng có khối lượng lớn hơn nhiều. [1]

Các hạt muon này di chuyển trong khối băng với tốc độ nhanh hơn tốc độ của ánh sáng đi trong môi trường băng đó. Hiện tượng này phát ra một luồng sáng màu xanh lam đặc trưng, gọi là bức xạ Cherenkov. Bằng cách chôn các camera cảm quang cực nhạy trong bóng tối vĩnh cửu của lòng băng, các thiết bị có thể ghi lại vệt sáng xanh này. Từ hướng đi và hình dáng của chùm ánh sáng xanh, các nhà vật lý có thể tính toán chính xác hướng di chuyển của hạt muon, từ đó suy ra đường đi thẳng tắp của hạt neutrino ban đầu. [1]

Từ mô hình AMANDA đến mạng lưới 5.693 mô-đun quang học IceCube

Bước đi thử nghiệm đầu tiên của dự án là đài quan sát AMANDA, bao gồm 19 chuỗi dây mang 677 cảm biến được thả xuống độ sâu dưới 1,4 km. AMANDA đã chứng minh thành công rằng việc ghi lại bức xạ Cherenkov trong băng Nam Cực là hoàn toàn khả thi. Tuy nhiên, để bắt được những hạt neutrino năng lượng cao cực kỳ hiếm hoi, quy mô của đài quan sát cần phải được mở rộng lên gấp nhiều lần. [1]

Được khởi động từ năm 2004, dự án IceCube đã mở rộng quy mô thành một mạng lưới khổng lồ gồm 91 chuỗi cảm biến, bao phủ cả một khối băng rộng tới 1 km3. Một trong những đóng góp mang tính bước ngoặt từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley là thiết kế hệ thống điện tử phức tạp tích hợp trực tiếp vào từng mô-đun quang học. Tổng cộng 5.693 bảng mạch điện tử đã được chế tạo với độ bền tuyệt đối, hoạt động ổn định dù không thể bảo trì hay sửa chữa một khi đã chôn sâu vào lòng băng. [1]

Lần theo “con thoi” neutrino giải mã các vụ nổ ngoài không gian

Năm 2013, IceCube đã xác nhận sự tồn tại của các hạt neutrino năng lượng cao đến từ ngoài không gian với năng lượng lớn gấp một triệu lần so với hạt neutrino phát ra từ Mặt Trời. Trong số đó, sự kiện phát hiện hạt neutrino mang tên Big Bird với mức năng lượng kỷ lục 2 petaelectron volt đã đánh dấu cột mốc quan trọng của thiên văn học hạt. [1]

Đến năm 2017, IceCube ghi nhận một hạt neutrino năng lượng cao đến từ hướng của một nhân thiên hà hoạt động chứa lỗ đen siêu lớn đang phát sáng dữ dội. Đây là mối liên hệ đầu tiên gợi mở nguồn gốc tiềm năng của các hạt vũ trụ cực mạnh. Việc kết hợp tín hiệu hạt neutrino từ IceCube cùng dữ liệu từ các kính thiên văn quang học và vô tuyến — được gọi là ngành thiên văn học đa sứ giả — đã mở ra chân trời mới, giúp con người lần đầu tiên nhìn thấy những vụ nổ và hiện tượng mãnh liệt nhất trong vũ trụ xa xôi. [1]