Hyper-Kamiokande của Nhật Bản: Đài quan sát neutrino lớn nhất thế giới sắp giải mã những bí ẩn sâu thẳm nhất của vũ trụ

Khám phá Hyper-Kamiokande: Kỷ nguyên mới của khoa học neutrino

Sâu bên dưới những ngọn núi ở Hida, tỉnh Gifu, Nhật Bản, một công trình khoa học đồ sộ đang dần hình thành. Đài quan sát neutrino Hyper-Kamiokande, dự kiến trở thành máy dò lớn nhất và nhạy nhất thế giới thuộc loại này, gần đây lần đầu tiên mở cửa hang ngầm rộng lớn cho báo chí. Cột mốc này đánh dấu bước tiến quan trọng hướng tới giải mã một số bí ẩn sâu sắc nhất của vũ trụ, từ nguồn gốc của vật chất đến số phận của chính vũ trụ.

Dự kiến bắt đầu quan sát vào năm 2027–2028, Hyper-Kamiokande (thường được viết tắt là Hyper-K hoặc HK) là phiên bản kế nhiệm máy dò Super-Kamiokande nổi tiếng. Với hang ngầm cao 94 mét, đường kính 69 mét và bể chứa dự kiến có sức chứa 260.000 tấn nước siêu tinh khiết, Hyper-Kamiokande sẽ vượt xa các công trình tiền nhiệm và mở rộng đáng kể những giới hạn của vật lý hạt và vật lý thiên văn.

Neutrino là gì và vì sao chúng quan trọng?

Neutrino là một trong những hạt phổ biến nhất nhưng cũng khó nắm bắt nhất trong vũ trụ. Đôi khi được gọi là “hạt ma”, chúng không mang điện tích, có kích thước cực nhỏ—nhẹ hơn electron khoảng 100.000 lần—và tương tác với vật chất yếu đến mức mỗi giây có hàng nghìn tỷ hạt xuyên qua cơ thể bạn mà không để lại dấu vết. Dù rất phổ biến, neutrino nổi tiếng là khó phát hiện, đòi hỏi những máy dò khổng lồ, có độ nhạy cao và được che chắn khỏi tia vũ trụ cùng các nguồn nhiễu nền khác.

Hiểu về neutrino rất quan trọng vì chúng chứa manh mối giúp giải đáp một số câu hỏi lớn nhất của vật lý. Các đặc tính của chúng có thể giúp lý giải vì sao vũ trụ chủ yếu được tạo thành từ vật chất chứ không phải phản vật chất, các ngôi sao phát nổ thành siêu tân tinh như thế nào, và liệu proton—cấu phần cơ bản của nguyên tử—có thực sự ổn định hay có thể phân rã trong những khoảng thời gian dài không thể tưởng tượng nổi.

Dự án Hyper-Kamiokande: Tham vọng ở quy mô lớn

Hyper-Kamiokande đang được xây dựng ở độ sâu 600 mét dưới lòng đất, tại khu vực Kamioka thuộc thành phố Hida, tỉnh Gifu. Địa điểm này được lựa chọn nhờ nền đá ổn định, cơ sở hạ tầng khai mỏ sẵn có và lớp núi phía trên tạo thành lá chắn tự nhiên, lọc tia vũ trụ cùng các hạt gây nhiễu khác. Máy dò chính sẽ là một bể hình trụ khổng lồ, cao 71 mét và đường kính 68 mét, được lắp hơn 20.000 ống nhân quang siêu nhạy (PMT), thiết kế để ghi nhận những tia sáng Cherenkov mờ nhạt phát ra khi neutrino tương tác với các phân tử nước.

Quy mô này chưa từng có tiền lệ: Hyper-Kamiokande sẽ chứa lượng nước gấp khoảng tám lần Super-Kamiokande, cho phép quan sát nhiều tương tác neutrino hơn với độ chính xác cao hơn đáng kể. Dự án do Viện Nghiên cứu Tia vũ trụ (ICRR) thuộc Đại học Tokyo chủ trì, phối hợp với Tổ chức Nghiên cứu Máy gia tốc Năng lượng cao (KEK) và hơn 100 cơ sở nghiên cứu từ hơn 20 quốc gia, trở thành một nỗ lực khoa học thực sự mang tính toàn cầu.

Các cột mốc và thách thức trong xây dựng

Công tác đào hang chính bắt đầu vào năm 2021, sau nhiều năm lên kế hoạch, khảo sát địa chất và hợp tác quốc tế. Đường hầm tiếp cận kéo dài 2 km vào lòng núi được hoàn thành vào đầu năm 2022, còn phần mái vòm của hang chính hoàn tất vào cuối năm 2023. Phần thân, chiếm phần lớn thể tích của máy dò, đang được đào theo từng giai đoạn và dự kiến hoàn thành vào năm 2024. Chi phí vật liệu tăng cùng những thách thức kỹ thuật đã khiến thời điểm bắt đầu quan sát bị lùi từ mục tiêu ban đầu là năm 2027 sang năm 2028, nhưng dự án vẫn đang đi đúng hướng để đạt các mục tiêu đầy tham vọng.

Giáo sư Masato Shiozawa thuộc ICRR, một nhân vật chủ chốt của dự án, bày tỏ sự lạc quan tại buổi ra mắt gần đây:

Chúng tôi hướng tới việc tạo ra những kết quả có thể thay đổi căn bản hiểu biết của chúng ta về các hạt cơ bản.

Sau khi hang hoàn tất, các kỹ sư sẽ lắp đặt bể chứa, phủ lên thành bể các máy dò quang và đổ nước siêu tinh khiết vào. Toàn bộ cơ sở được thiết kế nhằm giảm thiểu nhiễu nền và tăng tối đa độ nhạy với những tín hiệu hiếm gặp, tinh vi do các tương tác neutrino tạo ra.

Hyper-Kamiokande phát hiện neutrino như thế nào?

Việc phát hiện neutrino dựa trên một hiện tượng gọi là bức xạ Cherenkov. Khi neutrino đôi lúc va chạm với electron hoặc hạt nhân trong nước, nó có thể tạo ra một hạt mang điện chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong nước (nhưng không nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong chân không). Va chạm này tạo ra một chớp sáng xanh mờ hình nón—bức xạ Cherenkov—có thể được các ống nhân quang lắp dọc thành bể phát hiện.

Bằng cách phân tích thời điểm và kiểu phân bố của các chớp sáng, các nhà khoa học có thể tái dựng năng lượng, hướng chuyển động và loại (hay “hương”) của neutrino đi vào. Quy mô khổng lồ cùng các cảm biến tiên tiến của Hyper-Kamiokande sẽ giúp phát hiện neutrino từ nhiều nguồn, trong đó có:

• Neutrino sinh ra khi tia vũ trụ va chạm với khí quyển Trái Đất
• Neutrino Mặt Trời được tạo ra bên trong Mặt Trời
• Neutrino từ các siêu tân tinh ở xa và những sự kiện vũ trụ khác
• Các chùm neutrino nhân tạo được tạo ra tại máy gia tốc J-PARC, cách đó 295 km ở Tokai, tỉnh Ibaraki

Mục tiêu khoa học: Khám phá những bí mật sâu thẳm nhất của vũ trụ

Hyper-Kamiokande được thiết kế để giải quyết một số câu hỏi căn bản nhất trong vật lý và vũ trụ học. Các mục tiêu khoa học chính gồm:

1. Nghiên cứu dao động neutrino và sự vi phạm CP

Neutrino có ba loại—electron, muon và tau—và có thể chuyển từ loại này sang loại khác khi di chuyển, một hiện tượng được gọi là dao động neutrino. Phát hiện này, được thực hiện tại Super-Kamiokande năm 1998, chứng minh neutrino có khối lượng và mang về giải Nobel Vật lý năm 2015.

Một trong những ưu tiên hàng đầu của Hyper-Kamiokande là nghiên cứu xem neutrino và phản hạt của chúng (phản neutrino) có dao động khác nhau hay không—sự khác biệt được gọi là vi phạm đối xứng điện tích-chẵn lẻ (CP). Nếu được xác nhận, sự vi phạm CP ở neutrino có thể giúp giải thích vì sao vũ trụ chứa nhiều vật chất hơn phản vật chất, một bí ẩn cốt lõi của vũ trụ học.

Bằng cách so sánh các chùm neutrino và phản neutrino được phát đi từ J-PARC, đồng thời đo dao động của chúng với độ chính xác chưa từng có, Hyper-Kamiokande hướng tới đưa ra câu trả lời dứt khoát cho câu hỏi này. Sau một thập kỷ thu thập dữ liệu, thí nghiệm dự kiến đạt mức đo “chuẩn vàng” 5 sigma về sự vi phạm CP trong một phạm vi đáng kể các giá trị có thể xảy ra.

2. Tìm kiếm sự phân rã proton: Kiểm nghiệm các lý thuyết thống nhất lớn

Phân rã proton là một quá trình giả định được nhiều lý thuyết dự đoán, nhằm thống nhất các lực cơ bản trong tự nhiên. Nếu proton có thể phân rã, điều đó có nghĩa vật chất rốt cuộc không ổn định trong những khoảng thời gian cực dài—dài hơn nhiều so với tuổi của vũ trụ. Phát hiện sự phân rã proton sẽ cách mạng hóa hiểu biết của chúng ta về vật lý và có thể mở đường tới một “Lý thuyết vạn vật”.

Thể tích khổng lồ và các máy dò nhạy của Hyper-Kamiokande khiến nơi đây trở thành phòng thí nghiệm hàng đầu thế giới để tìm kiếm sự phân rã proton. Ngay cả khi không quan sát thấy sự phân rã, thí nghiệm cũng sẽ thiết lập giới hạn dưới mới cho tuổi thọ của proton, qua đó thu hẹp hoặc loại trừ nhiều mô hình lý thuyết.

3. Quan sát neutrino từ siêu tân tinh và neutrino tàn dư

Khi một ngôi sao khối lượng lớn phát nổ thành siêu tân tinh, nó giải phóng một dòng neutrino ồ ạt có thể tới Trái Đất trước ánh sáng từ vụ nổ. Hyper-Kamiokande có thể phát hiện hàng chục nghìn neutrino từ một siêu tân tinh trong thiên hà của chúng ta, mở ra góc nhìn độc đáo về các quá trình tạo nên những nguyên tố nặng và định hình sự tiến hóa của vũ trụ.

Bên cạnh đó, máy dò sẽ tìm kiếm nền khuếch tán của các neutrino tàn dư từ mọi siêu tân tinh trong quá khứ, qua đó cung cấp hiểu biết về lịch sử hình thành sao và vòng đời của vật chất trong vũ trụ.

4. Nghiên cứu neutrino Mặt Trời, neutrino khí quyển và geoneutrino

Hyper-Kamiokande sẽ tiếp nối di sản của các công trình tiền nhiệm bằng cách đo neutrino Mặt Trời, thăm dò hoạt động bên trong Mặt Trời và kiểm nghiệm các mô hình vật lý sao. Máy dò cũng sẽ nghiên cứu neutrino khí quyển để hoàn thiện hiểu biết về dao động neutrino và thứ tự khối lượng của chúng.

Geoneutrino—neutrino sinh ra từ quá trình phân rã phóng xạ bên trong Trái Đất—sẽ giúp các nhà khoa học khảo sát cấu trúc bên trong và quá trình sinh nhiệt của hành tinh, từ đó đóng góp hiểu biết cho địa chất học và từ trường Trái Đất.

Hợp tác quốc tế và đổi mới công nghệ

Dự án Hyper-Kamiokande là hình mẫu của hợp tác khoa học quốc tế. Hơn 560 nhà nghiên cứu đến từ hơn 100 cơ sở ở 21 quốc gia tham gia dự án, trong đó có những đóng góp lớn từ Nhật Bản, Vương quốc Anh, Canada, Italy, Mexico và nhiều nước khác. Ngân sách dự án ước tính khoảng 600 triệu USD, chủ yếu do chính phủ Nhật Bản tài trợ, cùng sự hỗ trợ đáng kể từ các đối tác quốc tế.

Những tiến bộ công nghệ đóng vai trò then chốt đối với năng lực của Hyper-Kamiokande. Các ống nhân quang mới do công ty Hamamatsu của Nhật Bản và những đối tác khác phát triển có độ nhạy cao hơn và đáng tin cậy hơn các thế hệ trước. Hệ thống lọc nước, yếu tố thiết yếu để giảm nhiễu nền, thuộc hàng tiên tiến nhất thế giới. Các kỹ thuật học máy và trí tuệ nhân tạo đang được sử dụng để phân tích lượng dữ liệu khổng lồ thu được, trong đó có đóng góp chuyên môn về phần mềm và xử lý dữ liệu từ Tecnológico de Monterrey ở Mexico.

Di sản nghiên cứu neutrino của Nhật Bản

Nhật Bản đi đầu trong khoa học neutrino suốt nhiều thập kỷ. Thí nghiệm Kamiokande ban đầu vào thập niên 1980 đã lần đầu phát hiện neutrino Mặt Trời và quan sát neutrino từ siêu tân tinh SN1987A, góp phần mang về giải Nobel năm 2002 cho Masatoshi Koshiba. Super-Kamiokande, được xây dựng trong thập niên 1990, đã phát hiện dao động neutrino và đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy hiểu biết của chúng ta về các hạt này.

Thí nghiệm T2K, đưa một chùm neutrino từ J-PARC tới Super-Kamiokande, đã cung cấp những phép đo quan trọng về đặc tính của neutrino và đặt nền móng cho nghiên cứu thế hệ tiếp theo của Hyper-Kamiokande. Đài quan sát mới sẽ tiếp nối di sản này, mở rộng biên giới tri thức và truyền cảm hứng cho các thế hệ nhà khoa học tương lai.

Cạnh tranh toàn cầu và các thí nghiệm bổ trợ

Hyper-Kamiokande là một phần trong cuộc đua toàn cầu nhằm khám phá bí mật của neutrino. Các dự án lớn khác gồm Thí nghiệm Neutrino Ngầm sâu (DUNE) tại Mỹ, sử dụng công nghệ argon lỏng, và Đài quan sát Neutrino Ngầm Giang Môn (JUNO) ở Trung Quốc. Mỗi thí nghiệm đều có thế mạnh và phương pháp riêng; kết quả của chúng sẽ bổ trợ lẫn nhau, cho phép kiểm chứng chéo và mang lại bức tranh toàn diện hơn về thế giới neutrino.

Như Takaaki Kajita, người đoạt giải Nobel và là một nhà khoa học đầu ngành, từng nhận định, tính bổ trợ giữa các thí nghiệm này rất quan trọng để bảo đảm tiến bộ khoa học vững chắc. Công nghệ Cherenkov trong nước đã được kiểm chứng của Hyper-Kamiokande, kết hợp với quy mô chưa từng có, giúp dự án có lợi thế hàng đầu về độ nhạy và tính linh hoạt.

Hướng tới tương lai: Triển vọng của Hyper-Kamiokande

Công tác đào hang sắp hoàn tất và việc lắp đặt các bộ phận của máy dò sẽ sớm bắt đầu, khiến cộng đồng khoa học ngày càng mong chờ. Những dữ liệu đầu tiên từ Hyper-Kamiokande có thể xuất hiện sớm nhất vào năm 2027–2028, mở ra một kỷ nguyên khám phá mới.

Giám đốc Shiozawa Masato của ICRR đã khái quát sự hào hứng và tham vọng của dự án:

Tôi hy vọng sẽ chứng kiến những kết quả nghiên cứu khiến tất cả mọi người bất ngờ, vì vậy tôi khuyến khích mọi người thường xuyên cập nhật thông tin về dự án.

Dù là hé lộ bí mật về dao động neutrino, lần đầu tiên phát hiện sự phân rã proton hay đưa ra cảnh báo sớm về siêu tân tinh, Hyper-Kamiokande đang đứng trước ngưỡng cửa của những đột phá khoa học mang tính chuyển đổi. Những phát hiện của dự án có thể định hình lại hiểu biết của chúng ta về vũ trụ và vị trí của con người trong đó.

Tóm tắt

• Hyper-Kamiokande dự kiến trở thành đài quan sát neutrino lớn nhất và nhạy nhất thế giới, nằm sâu 600 mét dưới lòng đất tại Hida, tỉnh Gifu, Nhật Bản.
• Dự án hướng tới giải đáp những câu hỏi căn bản về vũ trụ, bao gồm nguồn gốc vật chất, độ ổn định của proton và hành vi của neutrino.
• Công tác xây dựng hang chính gần hoàn tất; việc lắp đặt máy dò và những quan sát đầu tiên dự kiến diễn ra vào năm 2027–2028.
• Hyper-Kamiokande sẽ sử dụng một bể nước siêu tinh khiết khổng lồ cùng hàng chục nghìn ống nhân quang để phát hiện những chớp sáng mờ phát ra từ các tương tác neutrino.
• Thí nghiệm là nỗ lực hợp tác toàn cầu với hơn 100 cơ sở từ hơn 20 quốc gia, đi kèm những đổi mới đáng kể về khoa học và công nghệ.
• Vai trò dẫn đầu của Nhật Bản trong nghiên cứu neutrino, được ghi nhận qua hai giải Nobel, sẽ tiếp tục với Hyper-Kamiokande, dự án bổ trợ cho các thí nghiệm quốc tế lớn khác.
• Cộng đồng khoa học kỳ vọng sẽ có những khám phá đột phá, có thể thay đổi căn bản hiểu biết của chúng ta về vật lý và vũ trụ.