'Người săn hạt ma' làm gì để đạt giải Nobel Vật lý?

Khả năng xuyên qua vật chất cũng khiến neutrino trở thành những “sứ giả” đặc biệt của vũ trụ.

Ý tưởng quan trọng của Halzen xuất hiện từ những năm 1980. Ông nhận ra lớp băng sâu ở Nam Cực có thể trở thành môi trường lý tưởng để tìm neutrino.

Neutrino hiếm khi va chạm với hạt nhân nguyên tử. Nhưng khi sự kiện đó xảy ra, nó có thể tạo ra các hạt mang điện. Những hạt này phát ra ánh sáng xanh khi di chuyển qua môi trường trong suốt.

Nếu bố trí đủ cảm biến quang học, các nhà khoa học có thể ghi lại những chớp sáng cực yếu này. Sau đó, họ tái dựng hướng di chuyển của hạt và có thể lần ngược về nơi neutrino xuất phát.

Halzen từng mô tả các cảm biến quang học được chôn trong băng như những “bóng đèn đảo chiều”. Thay vì phát sáng, chúng thu ánh sáng rồi biến tín hiệu thành dữ liệu điện.

Nam Cực mang lại nhiều lợi thế cho hoạt động tìm kiếm neutrino. Ở độ sâu lớn, băng gần như không nhận được ánh sáng. Môi trường cũng ổn định và có rất ít vật liệu phóng xạ gây nhiễu.

Song, thử nghiệm đầu tiên không diễn ra suôn sẻ. Lớp băng phía trên chứa nhiều bọt khí. Chúng làm ánh sáng bị tán xạ và khiến việc xác định đường đi của hạt trở nên khó khăn. Nhóm nghiên cứu sau đó phát hiện lớp băng dưới độ sâu khoảng 1.400 m trong và tinh khiết hơn nhiều. Ánh sáng có thể truyền hàng trăm mét trước khi bị hấp thụ.

Tiền thân của IceCube là dự án AMANDA. Công trình này giúp các nhà khoa học kiểm chứng khả năng sử dụng băng Nam Cực để dò neutrino.

Tuy nhiên, AMANDA vẫn quá nhỏ để săn hiệu quả các neutrino năng lượng cao từ những nguồn xa xôi. IceCube được xây dựng ở quy mô lớn hơn nhiều. Đài quan sát sử dụng khoảng một km khối băng và đạt quy mô hoàn chỉnh vào năm 2011.

Hệ thống gồm 5.160 cảm biến quang học gắn trên 86 dây cáp. Các cảm biến nằm sâu khoảng 1.450-2.450 m dưới bề mặt.

Thách thức tiếp theo là tìm tín hiệu cần thiết giữa lượng dữ liệu khổng lồ. Mỗi ngày, các cảm biến còn ghi nhận hơn 100 triệu hạt liên quan đến tia vũ trụ trong khí quyển. Các nhà nghiên cứu phải tách chúng khỏi dấu vết của neutrino đến từ xa ngoài Trái Đất.

Bước ngoặt đến vào năm 2013. Nhóm IceCube công bố bằng chứng đầu tiên về một quần thể neutrino năng lượng cao có nguồn gốc vũ trụ. Những dữ liệu tiếp theo giúp củng cố phát hiện này.

Hiện tại, IceCube mở ra một phương pháp quan sát bổ sung cho thiên văn học truyền thống. Các nhà khoa học có thể dùng neutrino để nghiên cứu những môi trường cực đoan và truy tìm nơi các tia vũ trụ được gia tốc.

Gần 4 thập kỷ sau khi Halzen theo đuổi ý tưởng đặt cảm biến dưới lớp băng Nam Cực, phương pháp từng bị xem là táo bạo đã hình thành một nhánh mới của thiên văn học. Nobel Vật lý 2026 ghi nhận chính bước chuyển đó khi các nhà khoa học dùng những hạt gần như vô hình để quan sát những nơi xa xôi nhất trong vũ trụ.