Tác giả: Edward Witten

Dịch giả: Ngô Minh Tuấn


Các hạt cơ bản Neutrino có khối lượng hay phi khối lượng? Theo một thí nghiệm gần đây thì câu trả lời là có. Nhưng là bao nhiêu? Một kết quả đáng ngạc nhiên và vẫn đang còn gây tranh cãi cho chúng ta biết rằng câu trả lời không giống như những gì từ trước đến nay chúng ta vẫn thường nghĩ.

Các Neutrino, cũng giống như Photon, vốn từ lâu được cho là không có khối lượng và di chuyển với vận tốc ánh sáng. Trong những năm qua, bằng cách nghiên cứu neutrino phát ra từ mặt trời hay trong các tia vũ trụ trên bầu khí quyển trái đất, các nhà vật lý nhận thấy rằng các neutrino này qủa thực có một khối lượng tuy là vô cùng bé nhưng khác không, sấp xỉ 10 triệu lần nhỏ hơn khối lượng electron. Kết quả này nhận được từ các tiến trình vật lý xuất hiện tại mức năng lượng cao vượt xa so với mức năng lượng tương tác của các hạt đã biết. Trong Modern Physics Letters A, Klapdor-Kleingrothaus và các đồng nghiệp[1] hiện khẳng định đã quan sát được một loại quy trình phóng xạ hạt nhân mới. Nếu phần nào đứng vững qua các cuộc tranh luận, điều này ngụ ý rằng cả ba loại neutrino hầu như là có cùng một khối lượng, nó sẽ đem lại cho chúng ta ô cửa sổ mới nhìn vào một chân trời vật lý nằm ngoài tầm hiểu biết của chúng ta hiện nay.

Để đặt khối lượng của neutrino vào trong bối cảnh của nó, cần xem xét khối lượng của các hạt cơ bản khác. Chẳng hạn như electron, chúng nhẹ hơn proton khoảng 1.800 lần, và cỡ 200.000 nhẹ hơn hạt cơ bản nặng nhất đã biết, là bosson W và Z với quark đỉnh. (Hình.1) Tại sao các khối lượng này lại rất khác nhau thì vẫn còn là điều bí mật, ngay cả trong khuôn khổ của Mô hình chuẩn hiện đại của các hạt cơ bản. Mãi cho đến gần đây, người ta vẫn cho rằng neutrino là phi khối lượng, năm 1950 các vật lý nghĩ rằng họ đã tìm ra chìa khóa của vấn đề. Theo họ thì đó là đơn cực. Trong hóa sinh học, đơn cực là từ dùng để chỉ quá trình “một chiều” của phân tử, quá trình này sẽ khác đi khi nhìn ảnh gương của nó. Một phân tử đơn giản, như nước chẳng hạn, ảnh gương nhìn cũng như hình thực, nhưng những phân tử phức tạp như dextrose có lẽ không. Các phân tử đơn cực này chắc chắn rất quan trọng trong khoa sinh vật học, và những phân tử ảnh gương thì không, các phân tử đơn cực phản ứng lại những ngẫu nhiên trong quá trình tiến hóa của sự sống, ưu việt hơn so với sự khác biệt vốn có giữa các phân tử.

Neutrino có dạng tương tự phần nào như đơn cực. Các hạt cơ bản có một tính chất lượng tử nội tại gọi là “spin”. Hầu hết các hạt cơ bản có spin hoặc theo hướng phải hoặc theo hướng trái xung quanh chiều chuyển động, nhưng neutrino thì luôn có spin theo chiều bên trái (Hình. 2). Giống như đơn cực trong sinh vật học, tính chất này có thể bắt nguồn từ một sự kiện ngẫu nhiên, trong trường hợp này là sự biến Vụ nổ lớn. Một đơn cực nội tại như vậy không thể tương thích với một hạt có khối lượng (bởi vì hướng spin của hạt có khối lượng có thể bị thay đổi bằng cách xoay hạt khi nó đang ở trong trạng thái tĩnh), vì vậy các nhà vật lý kết luận rằng neutrino phải có khối lượng zero.

Nhưng vẫn còn có vấn đề với kết luận này, liên quan đến phản vật chất. Mỗi hạt vật chất cơ bản có một phản hạt tương ứng, cùng khối lượng, nhưng tích điện trái dấu. Ví dụ, phản hạt của electron, e1 , là positron, . Tương tự như vậy, neutrino cũng có một phản hạt: antineutrino. Phản neutrino có đơn cực đối lại với neutrino – nó luôn có spin theo hướng phải quanh chiều chuyển động (Hình. 2).

Nếu gạt tính đơn cực này sang một bên, làm sao bạn có thể phân biệt được đâu là neutrino đâu là neutrino? Chúng đều có điện tích trung tính, vì vậy chúng ta không thể căn cứ vào tích điện để phân biệt chúng. Nhưng có một thứ khác được bảo toàn trong tương tác giữa các hạt cơ bản: đó là số lepton. Electron và neutrino là các lepton, và positron và antineutrino là phản lepton (antilepton – ND). Số của các lepton trừ đi số của các phản lepton trong một tương tác được gọi là số lepton. Lepton và phản lepton có thể được tạo ra từ rất nhiều quy trình, chẳng hạn như sự phân hủy một neutron thành một proton, một electron và một phản neutrino. Trong ví dụ này, ở điểm khởi đầu không có lepton (neutron là một “baryon”), sau đó tạo ra một lepton (electron) và một phản lepton (phản neutrino), vì vậy số lepton không có gì thay đổi. Thật vậy, nó được bảo toàn trong mọi tiến trình hạt cơ bản thông thường. Khái niệm bảo toàn số lepton xuất phát từ thực nghiệm, và lúc đầu không có một cách giải thích lý thuyết nào nguồn gốc của nó. Vào những năm 70, một số phát triển gần đây của mô hình chuẩn vật lý năng lượng cao đã đưa ra một vài cái nhìn sâu hơn: những hạt cơ bản cho trước được thừa nhận tồn tại trong mô hình chuẩn và những quy luật chúng tuân theo, thực sự không thể nào vi phạm sự bảo toàn số lepton được.

Mô hình chuẩn chỉ đủ vừa vặn trước khi mà các nhà vật lý bắt đầu cố mở rộng phạm ra ngoài lãnh địa của nó. Họ muốn xây dựng một lý thuyết thống nhất, một lý thuyết là động cơ cho sự tồn tại của các hạt cơ bản và các lực, hơn là chỉ mô tả chúng như trong mô hình chuẩn2,3. Trong khuôn khổ đầy tham vọng này – được lồng một cái tên đầy lạc quan “sự thống nhất lớn” – sự bảo toàn số lepton không còn là tự dưng nữa. Do đó, một viễn cảnh mới đã xuất hiện46: số lepton được bảo tồn một cách rất mật thiết trong tự nhiên bởi vì nó được bảo toàn một cách chính xác trong những thí nghiệm tốt nhất của mô hình chuẩn; nhưng nó lại bị vi phạm rất tinh vi bởi những tác động của thống nhất lớn.

Nếu số lepton không được bảo tồn, sẽ không còn cái gì cung cấp manh mối phân biệt neutrino với phản neutrino nữa. Chúng có thể, trên thực tế, là hai dạng của cùng một hạt. Hạt này có một trạng thái trong đó spin theo chiều này và một trạng thái spin theo chiều kia (Hình. 2), cũng giống như một hạt có khối lượng, như electron chẳng hạn. Vì vậy nếu số lepton không được bảo tồn, neutrino có thể có một khối lượng. Nhưng khối lượng này chỉ có thể là rất bé, bởi vì nó xuất hiện từ những hiệu ứng không có trong mô hình chuẩn. Thí nghiệm trực tiếp phát hiện ra một khối lượng nhỏ như vậy là rất khó, nhưng những nghiên cứu về sự phân hủy hạt nhân triti đã chứng tỏ7 rằng một loại neutrino nhẹ hơn khoảng 2 electron – von.

Một cách tinh tế hơn để tìm kiếm khối lượng neutrino là dựa vào thực tế có ba loại neutrino: electron neutrino, muon neutrino, tau neutrino (chúng tiêu biểu được tạo ra lần lượt từ các electron, muon và tau). Điều này dẫn đến khả năng về một hiệu ứng cơ học lượng tử thú vị: trong khi di chuyển xuyên chân không, một loại neutrino có thể tự động chuyển hóa thành loại khác. Đây gọi là sự dao động neutrino, và chỉ có thể xảy ra nếu neutrino có khối lượng.

Giờ đây đã có nhiều bằng chứng về dao động neutrino, từ cả những neutrino được tạo ra từ các tia vũ trụ trong bầu khí quyển trái đất8,9, và cả những neutrino do mặt trời10 tạo ra. (lời giải thích dưới dạng dao động neutrino đã giải quyết được sự khác nhau muôn thuở11 giữa số lượng neutrino được mong chờ đến từ mặt trời và số lượng thực tế chúng ta phát hiện được). Trong phạm vi vượt quá nhanh này, thực nghiệm lại dẫn đường tốt cho lý thuyết, và hy vọng vào nhiều phép đo quan trọng được thực hiện trong những năm tới.

Những kết qủa cho đến đây thiên về một dãy xấp xỉ các khối lượng khả dĩ của neutrino xuất phát từ lý thuyết thống nhất lớn. Những thí nghiệm cũng đem lại ngạc nhiên không kém: ước số “góc pha lẫn” (xác định khả năng dao động của neutrino từ loại này thành loại khác) lớn hơn nhiều so với những gì các lý thuyết gia vẫn trông đợi.

Cũng hợp lý nếu như có ai đó ngờ rằng khối lượng của neutrino là do sự phi bảo tồn số lepton mà ra. Nhưng chỉ mỗi những phép đo dao động của neutrino thì lại không cho thấy một sự không bảo toàn số lepton nào. Vậy chúng ta có thể làm điều này theo cách nào đó khác hay không? Đây chính là điều mà Klapdor-Kleingrothaus khẳng định là đã làm được, bằng cách quan sát sự phân rã hạt nhân Phản ứng này gọi là sự phân rã neutrino b kép, với trạng thái cuối cùng chứa hai electron (về phương diện lịch sử thì đây là hạt b) và không có phản neutrino – do đó phản ứng này đã vi phạm sự bảo tồn số lepton tới hai đơn vị. Cùng với những phép đo dao động, và việc thừa nhận rằng những hạt duy nhất có liên quan là ba loại neutrino, kết quả mới này còn ngụ ý rằng cả ba loại neutrino đó có khối lượng gần như nhau, có lẽ khoảng vài phần mười electron – von. Đây là một kết quả bất ngờ vì các họ hạt khác, chẳng hạn như quark và các lepton không có khối lượng tương tự nhau (Hình. 1), và nó sẽ đặt ra một cưỡng chế gay gắt về phương diện lý thuyết đối với nguồn gốc khối lượng của các neutrino.

Đã có một số lời cảnh báo, tuy nhiên, là do bởi tính khó khăn đặc biệt của thực nghiệm. Sự phê phán những giả định được tác giả đưa ra khi phân tích tín hiệu nền tảng và phân đoạn nhỏ đã để lộ12,13. Dù sao đi nữa, những thí nghiệm được dự định trong tương lai sử dụng nhiều những lượng Ge lớn hơn nữa (hay tương tự như những hạt nhân) sẽ đạt được độ nhậy lớn hơn nhiều. Bằng cách ngoại suy từ phép đo dao động, nhiều nhà vật lý đã đoán, ưu tiên cho đòi hỏi này, rằng thí nghiệm phải có độ nhậy gấp 103 hay 104 lần như thế nữa mới có được những quan sát thuyết phục về sự vi phạm bảo toàn số lepton. Những đề xuất về độ nhậy như thế sẽ khó tới mức nào, miễn là tiềm năng đáng, thì các thí nhiệm trong tương lai sẽ như vậy.

Edward Witten is at the School of Natural Sciences,

Institute for Advanced Study, Olden Lane,

Princeton, New Jersey 08540, USA.

e-mail: witten@ias.edu


[1]. Klapdor-Kleingrothaus, H. V., Dietz, A., Harney, H. L. & Krivosheina, I. V. Mod. Phys. Lett. A 16, 2409–2420 (2001).

2. Pati, J. & Salam, A. Phys. Rev. D 10, 275–289 (1974).

3. Georgi, H. & Glashow, S. Phys. Rev. Lett. 32, 438–441 (1974).

4. Yanagida, T. in Proc. Workshop on Unified Theory and Baryon Number in the Universe (eds Sawada, O. & Sugamoto, A.) 95–98 (KEK, Tsukuba, 1979).

5. Gell-Mann, M. et al. in Supergravity (eds van Nieuwenhuysen, P. & Freedman, D. Z.) 315–321 (North-Holland, Amsterdam, 1979).

6. Weinberg, S. in First Workshop on Grand Unification (eds Frampton, P., Glashow, S. L. & Yildiz, A.) 347–362 (Math. Sci. Press, Brookline, MA, 1980).

7. Bonn, J. et al. (MAINZ collaboration) Nucl. Phys. Proc. Suppl. 91, 273–279 (2001).

8. Fukuda, S. et al. (SuperKamiokande collaboration) Phys. Rev. Lett. 85, 3999–4003 (2000).

9. Giacomelli, G. & Giorgini, M. (MACRO collaboration) Preprint hep-ex/0110021 (2001); http://xxx.lanl.gov

11. Bahcall, J. N. & Davis, R. Jr in Essays in Nuclear Astrophysics (eds Barnes, C. A., Clayton, D. D. & Schramm, D. N.) 243–285 (Cambridge Univ. Press, 1982).

12. Ferruglio, F., Strumia, A. & Vissani, F. Preprint hep-ph/0201291 (2002); http://xxx.lanl.gov

13. Aalseth, C. E. et al. Preprint hep-ex/0202018 (2002); http://xxx.lanl.gov