Đóng góp của Đại học Chiba cho IceCube góp phần giúp Francis Halzen giành Nobel Vật lý 2026

Đội IceCube duy nhất của Nhật Bản cùng ghi dấu trong thành tựu toàn cầu

Francis Halzen, 82 tuổi, thuộc Đại học Wisconsin–Madison, được trao Giải Nobel Vật lý năm 2026 nhờ Đài quan sát Neutrino IceCube và việc phát hiện các hạt năng lượng cao đến từ những nguồn vũ trụ xa xôi. Thông báo ngày 6 tháng 10 cũng ghi nhận nỗ lực khoa học có sự đóng góp của Đại học Chiba, cơ sở duy nhất của Nhật Bản trong nhóm hợp tác, từ năm 2002.

Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển cho biết trong thông báo Giải Nobel rằng Halzen được vinh danh "vì những đóng góp quyết định cho Đài quan sát Neutrino IceCube và việc phát hiện neutrino năng lượng cao có nguồn gốc vật lý thiên văn." Giải thưởng trị giá 12 triệu krona Thụy Điển.

Đóng góp của Chiba trải dài từ việc nhận diện những tín hiệu neutrino vũ trụ đầu tiên đến chế tạo thiết bị hiện được chôn sâu bên dưới Nam Cực. Các nhà nghiên cứu của trường góp phần liên kết một neutrino với một thiên hà xa xôi, tham gia phát hiện đầu tiên một tương tác phản neutrino hiếm gặp và sản xuất khoảng 40% trong số hơn 600 cảm biến quang học được lắp đặt trong đợt nâng cấp mới nhất của IceCube.

Hai giáo sư của trường là Shigeru Yoshida, 60 tuổi, giám đốc Trung tâm Quốc tế về Vật lý thiên văn Hadron, và Aya Ishihara, 52 tuổi, hoan nghênh giải thưởng tại cuộc họp báo ngày 6 tháng 10 ở cơ sở Nishichiba, thành phố Chiba. Ishihara tham gia trực tuyến từ Nagoya.

Giải Nobel vinh danh riêng Halzen. Tuy nhiên, thành tựu của đài quan sát thuộc về nỗ lực quốc tế với khoảng 450 nhà khoa học tại 58 cơ sở ở 14 quốc gia. Vai trò của Chiba cho thấy một nhóm nghiên cứu nhỏ đã trở thành nhân tố nòng cốt trong cả việc diễn giải các quan sát lẫn thiết kế thế hệ thiết bị tiếp theo.

Từ ý tưởng năm 1988 đến đài quan sát một kilômét khối

Halzen lần đầu trình bày ý tưởng dùng băng ở Nam Cực để phát hiện neutrino vào năm 1988. Sinh năm 1944 tại Tienen, Bỉ, ông nhận bằng tiến sĩ tại KU Leuven năm 1969 và trở thành giáo sư tại Wisconsin–Madison. Đề xuất của ông đòi hỏi biến một khối băng tự nhiên khổng lồ thành máy dò hạt thay vì xây dựng một thiết bị phòng thí nghiệm thông thường.

Đài quan sát hoàn chỉnh sử dụng một kilômét khối băng bên dưới Trạm Nam Cực Amundsen–Scott. Mảng ban đầu gồm 5.160 mô-đun quang học được bố trí dọc theo 86 dây cáp, mỗi dây có 60 mô-đun.

Việc xây dựng bắt đầu năm 2004. Các nguồn ghi mốc hoàn thành khác nhau: lịch sử dự án của Chiba cho biết công trình kết thúc vào tháng 12 năm 2010, trong khi thông báo Nobel nói IceCube hoàn tất năm 2011. Cả 86 chuỗi cảm biến bắt đầu hoạt động đầy đủ vào năm 2011, qua đó phân biệt thời điểm kết thúc lắp đặt với thời điểm bắt đầu quan sát bằng toàn bộ mảng.

Chi phí xây dựng ban đầu được công bố là 271 triệu USD, trong đó Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ cung cấp phần lớn kinh phí. Trong tuyên bố về giải thưởng, NSF cho biết đã đầu tư vào thiết kế, xây dựng và vận hành IceCube trong hơn hai thập kỷ. Chương trình Nam Cực của Mỹ hỗ trợ xây dựng tại trạm ở nơi xa xôi này.

Mark Pearce, chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý, ghi nhận vai trò lãnh đạo của Halzen trong việc biến ý tưởng thành một đài quan sát hoạt động được.

Francis Halzen đã dẫn dắt một nhóm quốc tế gồm các nhà nghiên cứu và kỹ sư tạo ra một thiết bị tuyệt vời. Sự kiên trì và tầm nhìn khoa học của ông đã mở đường cho một dạng thiên văn học mới.

IceCube phát hiện các hạt thường xuyên đi xuyên qua Trái Đất như thế nào

Neutrino không mang điện tích và cực hiếm khi tương tác với vật chất. Hầu hết chúng đi xuyên qua Trái Đất mà không để lại dấu vết có thể phát hiện. Điều đó khiến neutrino khó quan sát, nhưng cũng biến chúng thành những hạt truyền tin hữu ích: từ trường không làm lệch đường đi của chúng như đối với các hạt vũ trụ mang điện.

Máy dò không chụp ảnh trực tiếp neutrino. Khi đôi lúc neutrino tương tác với một hạt nhân nguyên tử hoặc electron, nó tạo ra các hạt mang điện. Những hạt này có thể phát ra ánh sáng Cherenkov, loại bức xạ mờ sinh ra khi một hạt mang điện di chuyển trong vật liệu nhanh hơn tốc độ ánh sáng truyền qua vật liệu đó.

Các cảm biến quang học của IceCube ghi nhận thời điểm và độ sáng của ánh sáng này. Các nhà nghiên cứu dùng những phép đo đó để ước tính năng lượng và hướng đến của hạt. Thể tích khổng lồ giúp bù đắp cho sự hiếm hoi của các tương tác neutrino.

Mô tả dự án IceCube của Chiba cho biết các mô-đun ban đầu nằm ở độ sâu từ 1.450 đến 2.450 mét. Một số nguồn khác nêu khoảng rộng hơn, gồm từ 1.400 đến 2.600 mét. Đợt nâng cấp mới nhất cần khoan đến độ sâu 2.600 mét; đây là độ sâu thi công, không nên nhầm với vị trí lắp đặt các cảm biến ban đầu.

Các mô-đun chứa ống nhân quang điện, thiết bị chuyển những tia sáng cực nhỏ thành tín hiệu điện có thể đo được. Hamamatsu Photonics, có trụ sở tại Hamamatsu, Nhật Bản, phát triển các ống được sử dụng trong máy dò của IceCube, giúp ngành công nghiệp Nhật Bản cũng góp mặt bên cạnh các nhà nghiên cứu đại học.

Phát hiện ánh sáng mới chỉ là bước đầu. Juan Carlos Díaz Vélez, làm việc tại Trung tâm Vật lý thiên văn hạt IceCube Wisconsin và điều phối xử lý dữ liệu cùng mô phỏng, cho biết IceCube phát hiện hơn một triệu muon do tia vũ trụ tạo ra với mỗi neutrino được phát hiện. Muon là hạt mang điện cũng có thể để lại vệt sáng rõ, tạo nên một lượng lớn tín hiệu nền mà các sự kiện neutrino phải được phân biệt khỏi.

Theo Díaz Vélez, xử lý các quan sát và tạo mô phỏng cần khoảng 10.000 lõi CPU và 1.000 bộ xử lý đồ họa trên các mạng điện toán phân tán. NSF cũng ghi nhận các cơ sở điện toán đã giúp nhà nghiên cứu diễn giải số đo của IceCube.

Tín hiệu đầu tiên của Chiba và mốc thời gian phát hiện

Đại học Chiba cho biết nhóm của trường tham gia khi nhóm hợp tác IceCube thành lập năm 2002. Yoshida quen Halzen từ thập niên 1990, nhưng gia nhập dự án đi kèm nhiều bất định. Trong phản hồi về giải thưởng của trường, ông nhớ lại rằng nhiều người hoài nghi liệu neutrino có thể trở thành công cụ hữu hiệu để quan sát vũ trụ năng lượng cao hay không.

Ishihara gia nhập nhóm Wisconsin vào tháng 1 năm 2005, sau khi hoàn thành bằng tiến sĩ năm 2004, rồi chuyển cơ sở nghiên cứu đến Chiba năm 2006. Bà mô tả một nhóm có ít nhân lực và kinh phí, đã tự xây dựng chiến lược phân tích để tạo đóng góp riêng trong một nhóm hợp tác lớn hơn nhiều.

Chiến lược đó giúp nhận diện hai sự kiện có năng lượng đặc biệt cao. Lịch sử dự án chi tiết của Chiba ghi ngày xảy ra là tháng 8 năm 2011 và tháng 1 năm 2012, với năng lượng đo được lần lượt là 1,04 ± 0,16 và 1,14 ± 0,17 petaelectronvolt. Một petaelectronvolt, viết tắt là PeV, bằng một triệu tỷ electronvolt, đơn vị dùng để đo năng lượng hạt.

Trường trình bày những phát hiện ban đầu tại một hội nghị quốc tế vào tháng 6 năm 2012. Bài báo được đăng trên Physical Review Letters vào tháng 7 năm 2013, và một phân tích rộng hơn xuất hiện trên Science vào tháng 12 năm 2013. Trình tự này lý giải vì sao Chiba nói đến phát hiện năm 2012, trong khi NSF và thông báo Nobel của IceCube nhắc các phát hiện mang tính bước ngoặt năm 2013.

Các tường thuật đưa ra thời điểm khác nhau cho hai sự kiện ban đầu: một nguồn ghi chúng được phát hiện vào năm 2013 và 2014, còn báo cáo chi tiết của Chiba ghi năm 2011 và 2012. Lịch sử của trường cũng có các bản tóm tắt năng lượng khác nhau, nhưng mục riêng về từng sự kiện nêu các giá trị và độ bất định như trên.

Phân tích tiếp theo bổ sung 26 sự kiện vào hai sự kiện ban đầu. Theo Chiba, người ta dự kiến có khoảng 11 sự kiện nền trong tổng số 28 sự kiện; năng lượng, hình dạng và hướng đến của chúng cho thấy nguồn gốc vũ trụ với độ tin cậy thống kê vượt bốn độ lệch chuẩn.

Chiba so sánh dải năng lượng mới với neutrino được Kamiokande quan sát năm 1987, cho rằng mức tăng vào khoảng 100 triệu lần. NSF đưa ra nhận định khái quát hơn rằng các neutrino được phát hiện mang năng lượng cao hơn hơn một triệu lần so với neutrino từng quan sát trước đó. Hai phép so sánh dùng các mốc tham chiếu khác nhau và không nên xem là cùng một phép đo.

Lần theo neutrino đến một thiên hà xa xôi

Việc tìm thấy neutrino vũ trụ xác nhận các máy gia tốc hạt tự nhiên đang tạo ra chúng. Muốn xác định nguồn phát cần thêm một bước: kết hợp hướng đến ước tính của neutrino với các quan sát từ những thiết bị khác.

Ngày 22 tháng 9 năm 2017 theo giờ Nhật Bản, IceCube phát hiện sự kiện mang tên IC170922A. Các vệ tinh tia gamma và kính thiên văn quang học tiếp nối cảnh báo, liên kết sự kiện với TXS 0506+056, một blazar gắn với hố đen siêu nặng. Phát hiện được công bố và đăng trên Science năm 2018.

Blazar là nhân thiên hà hoạt động có tia phun mạnh hướng về phía Trái Đất. Tường thuật ban đầu mô tả kết quả năm 2018 là bằng chứng cho thấy neutrino có thể đến từ blazar này. Chiba gọi đây là lần đầu xác định được nguồn neutrino, trong khi NSF mô tả kết quả năm 2018 là bằng chứng xác thực cho thấy neutrino đến từ một hố đen siêu nặng ở thiên hà khác.

Mối liên hệ này dựa vào phương pháp mà các nhà nghiên cứu gọi là thiên văn học đa thông tin sứ: nghiên cứu cùng một hoạt động vũ trụ thông qua nhiều tín hiệu khác nhau, ở đây là neutrino và một số dạng bức xạ điện từ. Neutrino cung cấp thông tin mà chỉ ánh sáng không thể mang lại, còn các quan sát bằng kính thiên văn giúp nhận diện thiên thể nằm theo hướng đó.

Yasushi Fukazawa, giáo sư Đại học Hiroshima chuyên nghiên cứu quan sát vũ trụ năng lượng cao, ghi nhận Chiba đã phát triển và lắp ráp máy dò, đồng thời xây dựng hệ thống nhanh chóng phân phối thông tin neutrino đến các đài quan sát trên toàn thế giới. Hệ thống cảnh báo đó tạo điều kiện để các cơ sở phối hợp quan sát tiếp theo.

Sau đó, IceCube báo cáo bằng chứng về phát xạ neutrino từ một thiên hà khác là NGC 1068, còn gọi là Messier 77. Năm 2023, IceCube công bố các quan sát neutrino từ Dải Ngân hà, tạo ra hình ảnh đầu tiên về thiên hà của chúng ta dựa trên neutrino, theo NSF. Tiến trình này đưa thí nghiệm vượt khỏi việc phát hiện các hạt riêng lẻ để hướng tới lập bản đồ nguồn phát.

Tương tác phản neutrino hiếm gặp kiểm nghiệm vật lý hạt

Chiba cũng góp phần vào một kết quả công bố trên Nature năm 2021: lần đầu phát hiện cộng hưởng Glashow thông qua một phản neutrino electron. Phản neutrino là phản hạt của neutrino.

Cộng hưởng Glashow là một tương tác được dự đoán, trong đó phản neutrino electron va chạm với electron và tạo ra boson W, một hạt tham gia vào lực yếu. Quan sát này kiểm nghiệm một dự đoán của Mô hình Chuẩn, lý thuyết mô tả các hạt cơ bản đã biết và tương tác của chúng.

Thành tựu này cho IceCube hai mục tiêu gắn liền với nhau. Đài quan sát có thể nghiên cứu môi trường vũ trụ tạo ra các hạt năng lượng cao, đồng thời dùng những hạt đó để kiểm nghiệm vật lý cơ bản ở mức năng lượng khó nghiên cứu bằng các máy gia tốc do con người chế tạo.

Takaaki Kajita, giáo sư Đại học Tokyo cùng nhận Giải Nobel Vật lý năm 2015 nhờ phát hiện dao động neutrino, hoan nghênh giải thưởng của Halzen. Kajita mô tả IceCube là bước tiến được mong đợi từ lâu nhằm tìm hiểu nguồn gốc của tia vũ trụ và cơ chế gia tốc chúng.

Hơn 600 máy dò mới được lắp đặt trong tháng 1

Giải thưởng được trao sau khi đóng góp kỹ thuật của Chiba được mở rộng đáng kể. Thông báo hoàn thành đợt nâng cấp của trường, đăng ngày 13 tháng 2, cho biết việc lắp đặt kết thúc vào ngày 21 tháng 1 năm 2026.

Một nhóm chuyên trách gồm khoảng 40 nhà nghiên cứu và kỹ sư làm việc trong khoảng hai tháng rưỡi, bắt đầu từ cuối tháng 11 năm 2025. Họ khoan sáu lỗ sâu và lắp đặt hơn 600 mô-đun quang học mới ở trung tâm máy dò hiện có.

Khoảng 40% mô-đun mới là máy dò D-Egg do Trung tâm Quốc tế về Vật lý thiên văn Hadron của Chiba thiết kế và sản xuất trong hơn một thập kỷ. Các nhóm Đức và Mỹ cung cấp thiết kế máy dò còn lại, mang tên mDOM.

Mỗi D-Egg có hai cảm biến ánh sáng nhạy, hướng theo hai chiều ngược nhau bên trong vỏ thủy tinh. Thu nhận ánh sáng từ trên và dưới giúp đo hướng và cường độ ánh sáng. Vỏ máy cũng phù hợp với các lỗ khoan hẹp hơn. Ishihara, người phụ trách sản xuất, tham gia nhóm lắp đặt tại Nam Cực.

Lịch thi công rất gấp rút. Việc khoan bằng nước nóng mất khoảng 60 giờ để tạo và định hình một lỗ sâu tới 2.600 mét. Sau đó, đội lắp đặt phải hạ khoảng 110 máy dò nối với nhau xuống lỗ trong vòng 30 giờ, trước khi lối tiếp cận đóng băng trở lại.

Trường cũng cho biết năm máy dò thử nghiệm do Chiba sản xuất đã được lắp đặt để phát triển IceCube-Gen2. Các công ty trong nước, học viên cao học và nhà nghiên cứu trẻ tham gia phát triển và sản xuất máy dò, mở rộng đóng góp của Nhật Bản vượt ra ngoài lĩnh vực phân tích dữ liệu.

Mục tiêu lớn hơn để phát hiện neutrino năng lượng thấp

Đợt nâng cấp bố trí các cảm biến dày đặc hơn để phát hiện ánh sáng yếu hơn từ neutrino năng lượng thấp. Hệ thống nhắm đến dải gigaelectronvolt, viết tắt là GeV, đồng thời cải thiện phép đo đường truyền của ánh sáng trong lớp băng xung quanh. Hiểu rõ hơn về băng sẽ giúp xác định chính xác hơn hướng đến của neutrino.

Chiba cho biết thể tích phát hiện hiệu dụng của đợt nâng cấp tương đương khoảng hai triệu tấn nước, so với xấp xỉ 50.000 tấn của Super-Kamiokande. Các con số này cho tỷ lệ khoảng 40:1. Chỉ riêng thể tích không quyết định độ nhạy hay độ chính xác, vì hai thiết bị có cách bố trí và phương pháp quan sát khác nhau.

Mảng cảm biến dày đặc hơn mở rộng phạm vi năng lượng của cơ sở vốn nổi tiếng về thiên văn học năng lượng rất cao. Chiba xác định neutrino phát ra trong quá trình sao khối lượng lớn sụp đổ do hấp dẫn và hình thành hố đen là một mục tiêu nghiên cứu tiềm năng, chứ không phải một quan sát đã đạt được.

Mốc thời gian quan sát được nêu cụ thể hơn qua các thông báo sau. Thông báo tháng 2 của Chiba dự kiến hoạt động quan sát bắt đầu vào khoảng mùa hè năm 2026, sau khi băng đông lại, kiểm tra liên lạc, hiệu chuẩn và định vị chính xác các máy dò.

Tuy nhiên, thông báo Giải Nobel tháng 10 của IceCube cho biết dữ liệu khoa học đầu tiên từ đợt nâng cấp dự kiến có vào cuối năm 2026. Thông báo không xác nhận các quan sát khoa học đầy đủ đã bắt đầu trong mùa hè.

IceCube-Gen2 được đề xuất sẽ có mảng quang học lớn gấp tám lần thể tích đài quan sát hiện tại, đồng thời bổ sung khả năng phát hiện bằng sóng vô tuyến để nghiên cứu neutrino năng lượng còn cao hơn. Đây vẫn là đề xuất; các thông báo chưa xác định thời điểm bắt đầu hay hoàn thành xây dựng.

Các cột mốc dẫn đến giải thưởng

Lịch sử IceCube gồm nhiều giai đoạn đôi khi bị gộp thành một mốc phát hiện duy nhất: đề xuất thiết bị, xây dựng, ghi nhận sự kiện, trình bày phân tích và công bố kết quả.

• 1988: Halzen lần đầu trình bày ý tưởng phát hiện neutrino ở Nam Cực.
• 2002: Nhóm hợp tác IceCube thành lập, Chiba tham gia với tư cách cơ sở duy nhất của Nhật Bản.
• 2004–2011: Công trình xây dựng bắt đầu và đài quan sát hoàn chỉnh đi vào hoạt động.
• 2011–2013: Các sự kiện lớn đầu tiên được ghi nhận, trình bày vào tháng 6 năm 2012 và mô tả trong các bài báo khoa học năm 2013.
• 2017–2018: Sự kiện IC170922A dẫn đến mối liên hệ với blazar TXS 0506+056 và việc công bố kết quả.
• 2021: Công bố phát hiện đầu tiên về cộng hưởng Glashow.
• 2023: IceCube công bố các quan sát neutrino từ Dải Ngân hà.
• Ngày 21 tháng 1 năm 2026: Hoàn tất lắp đặt IceCube Upgrade.
• Ngày 6 tháng 10 năm 2026: Halzen được công bố là chủ nhân Giải Nobel Vật lý.

Theo Yoshida, khi mới thành lập nhóm hợp tác có thành viên từ năm quốc gia, nay đã tăng lên 14 quốc gia. Trang dự án của Chiba ghi nhận khoảng 300 nhà nghiên cứu tại 53 cơ sở ở 12 quốc gia vào năm 2020, so với khoảng 450 nhà nghiên cứu tại 58 cơ sở hiện nay.

Halzen, điều tra viên chính của IceCube, nhấn mạnh nỗ lực tập thể đó trong phản hồi về giải thưởng.

Tôi vô cùng nhẹ nhõm khi cuối cùng cũng có thể mang đến sự ghi nhận xứng đáng cho nhóm hợp tác tuyệt vời này.

Với Chiba, cột mốc cụ thể tiếp theo là dự kiến công bố dữ liệu khoa học đầu tiên của đợt nâng cấp vào cuối năm 2026. Các nhà nghiên cứu của trường cũng đang chuẩn bị cho đài quan sát lớn hơn được đề xuất, đồng thời tiếp tục tìm kiếm các máy gia tốc vũ trụ tạo ra những hạt IceCube phát hiện.

Điểm chính

• Francis Halzen nhận Giải Nobel Vật lý năm 2026 nhờ IceCube và những phát hiện về neutrino vũ trụ.
• Đại học Chiba tham gia từ năm 2002 và vẫn là cơ sở duy nhất của Nhật Bản trong nhóm hợp tác.
• Chiba góp phần nhận diện các tín hiệu vũ trụ ban đầu, một nguồn blazar và sự kiện cộng hưởng Glashow đầu tiên.
• Đài quan sát ban đầu sử dụng 5.160 mô-đun quang học trong một kilômét khối băng Nam Cực.
• Chiba sản xuất khoảng 40% trong số hơn 600 máy dò mới được lắp đặt trong đợt nâng cấp.
• Lịch trình mới nhất dự kiến có dữ liệu khoa học đầu tiên từ đợt nâng cấp vào cuối năm 2026; IceCube-Gen2 vẫn đang ở giai đoạn đề xuất.