Neutrino vô trùng kỳ lạ có thể không tồn tại, đề xuất dữ liệu mới từ các lò phản ứng hạt nhân

Thí nghiệm neutrino của lò phản ứng Daya Bay nghiên cứu antineutrino từ sáu lò phản ứng gần Thâm Quyến, Trung Quốc.

Hình ảnh từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley / Roy Kaltschmidt 2010 Các Regent của Đại học California, thông qua Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley

Neutrino vô trùng kỳ lạ có thể không tồn tại, đề xuất dữ liệu mới từ các lò phản ứng hạt nhân

Tác giả Adrian ChoApr. 6, 2017, 5:30 CH

Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã biết rằng các hạt gọi là neutrino, gần như không có khối lượng và hầu như không tương tác với các vật chất khác, có ba loại ronelectron, muon và tau. Và chỉ trong một thời gian dài, một số nhà lý thuyết đã lập luận rằng có thể tồn tại một neutrino vô trùng thứ tư, thậm chí còn kỳ lạ và trơ hơn so với những người anh em họ quen thuộc của nó. Nhưng trường hợp của neutrino vô trùng vừa xảy ra, khi các nhà vật lý làm việc trên một thí nghiệm ở Trung Quốc báo cáo dữ liệu làm suy yếu một trong ba mẩu dữ liệu quan trọng cho sự tồn tại của nó.

Các loại neutrino khác nhau được sinh ra từ các phân rã và tương tác hạt khác nhau. Ví dụ, một neutrino electron chính xác hơn, một antineutrino emerges khi một hạt nhân nguyên tử như triti trải qua một loại phân rã phóng xạ gọi là decay và biến thành một helium nhỏ hơn một chút -3 hạt nhân trong khi phun ra một electron và antineutrino. Tương tự, một neutrino muon có thể phát ra từ sự phân rã của một hạt gọi là muon, thường được tìm thấy trong các tia vũ trụ. Và một neutrino tau nổi lên trong sự phân rã của một hạt lớn gọi là tau có thể được tạo ra bằng máy nghiền nguyên tử.

Từ năm 1998, các nhà vật lý cũng đã biết rằng neutrino có thể thay đổi kiểu khi chúng di chuyển với tốc độ gần bằng ánh sáng, do đó neutrino muon có thể trở thành neutrino electron, v.v. Một neutrino vô trùng sẽ là loại thứ tư không thể sinh ra trong sự phân rã của bất kỳ hạt nào đã biết hoặc thậm chí tương tác với các hạt thông thường. Thay vào đó, nó chỉ có thể phát sinh nếu một trong những neutrino được biết đến biến thành nó.

Trong 20 năm, các thí nghiệm khác nhau đã ám chỉ neutrino vô trùng có khối lượng khoảng 1 electron volt, lớn gấp khoảng 10 đến 100 lần so với các neutrino khác được cho là. Ví dụ, từ năm 1993 đến năm 1998, các nhà vật lý với Máy dò neutrino lỏng Scintillator tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở New Mexico đã nghiên cứu một chùm muon neutrino và tìm thấy manh mối trêu ngươi rằng chúng có thể biến thành neutrino vô trùng. Một dấu hiệu khác đến từ một cặp thí nghiệm bắt đầu vào những năm 1990 ở Nga và Đức được thiết kế để cảm nhận neutrino electron từ mặt trời. Cả hai thí nghiệm đều sử dụng máy dò làm bằng gallium và khi các nhà nghiên cứu hiệu chỉnh chúng bằng nguồn phóng xạ, họ đã đếm quá ít neutrino electron, cho thấy chúng nhanh chóng biến thành vô trùng.

Bằng chứng mới nhất về neutrino vô trùng xuất hiện vào năm 2011, khi một nhóm các nhà lý thuyết lập luận rằng các thí nghiệm khác nhau phát hiện các phản neutrino electron từ các lò phản ứng hạt nhân gần đó đã thấy ít antineutrino hơn mức cần thiết. Được đặt tên là dị thường antineutrino, sự thâm hụt đó đã thúc đẩy trường hợp cho một neutrino vô trùng, vì nó cho rằng các antineutrino đang biến thành dạng vô trùng không thể phát hiện được. Trên thực tế, lò phản ứng antineutrino dị thường đã khơi dậy mối quan tâm đối với ý tưởng về neutrino vô trùng, Patrick Huber, nhà lý thuyết tại Viện Bách khoa Virginia và Đại học Bang ở Blacksburg và là cộng tác viên của Thí nghiệm Neutrino Bay Daya Bay gần Thâm Quyến, Trung Quốc cho biết.

Tuy nhiên, bây giờ, các nhà vật lý với Daya Bay báo cáo dữ liệu hỗ trợ cho lời giải thích đơn giản hơn nhiều: Các nhà khoa học chỉ đơn thuần đánh giá quá cao số lượng neutrino sinh ra từ các hạt nhân phóng xạ khác nhau được tạo ra trong quá trình phân hạch của một thành phần nhiên liệu hạt nhân tiêu chuẩn.

Thí nghiệm Vịnh Daya bao gồm sáu máy dò trong ba cụm, tất cả trong phạm vi 1, 9 km từ sáu lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động. Các nhà vật lý nghiên cứu antineutrino từ lõi lò phản ứng, và vào năm 2012, họ đã báo cáo việc đo một tham số quan trọng trong sự biến đổi của neutrino.

Một lò phản ứng hạt nhân có được sức mạnh từ sự phân hạch của bốn hạt nhân nguyên tử khác nhau: uranium-235, uranium-238, plutonium-239 và plutonium-241. Những hạt nhân này phân chia ngẫu nhiên để làm cho vô số hạt nhân nhẹ hơn. Vì vậy, ví dụ, uranium-235 có thể tách ra để tạo ra krypton-89. Sau đó, krypton-89 giàu neutron sẽ phân rã nhiều lần để tạo thành rubidium-89, strontium-89 và yttri-89, phun ra một loại thuốc kháng antineutrino ở mỗi bước. Vì vậy, mỗi loại hạt nhân phân hạch tạo ra vô số hạt nhân khác phun ra antineutrino. Và các nhà vật lý đã đo tổng phổ antineutrino có nguồn gốc từ mỗi trong số bốn đồng vị chính.

Điều quan trọng là, số lượng tương đối của bốn đồng vị phân hạch thay đổi khi một lò phản ứng tiêu thụ nhiên liệu của nó. Nhiên liệu bắt đầu như một hỗn hợp của các đồng vị urani, và các đồng vị plutoni được tạo ra tại chỗ. Vì vậy, trong suốt vòng đời của nhiên liệu, khoảng 18 tháng, lượng uranium-235 giảm đi. Bằng cách đo phổ của antineutrino và biết được phân số của uranium-235 trong lõi, các nhà vật lý của Vịnh Daya đã có thể chỉ ra rằng sự thiếu hụt được cho là của số lượng antineutrino tăng và giảm với lượng uranium-235, họ báo cáo trong một bản in được đăng lên máy chủ arXiv.

Điều đó có ý nghĩa nếu các nhà vật lý đang đánh giá thấp số lượng antineutrino từ phân rã uranium-235, Huber nói. Nhưng nó sẽ không có ý nghĩa nếu hiệu ứng được gây ra bởi các antineutrinos điện tử biến thành vô trùng, trong trường hợp đó thâm hụt sẽ không đổi theo thời gian, ông giải thích. Kết quả Vịnh Daya rõ ràng không ủng hộ việc giải thích neutrino vô trùng.

Các kết quả mới làm cho các nhà vật lý có một bí ẩn, tuy nhiên: Tại sao các ước tính của họ về các phản neutrino đến từ uranium-235 lại tệ đến vậy? Đó chắc chắn là câu hỏi đáng giá hàng triệu đô la, kể từ Kam-Biu Luk, nhà vật lý tại Đại học California, Berkeley, và là đồng phát ngôn viên của đội Daya Bay.

Huber nói rằng anh ta chưa sẵn sàng từ bỏ ý tưởng về neutrino vô trùng. Trên thực tế, ông nói, hầu hết các ý tưởng lý thuyết về cách neutrino có được khối lượng nhỏ bé nhưng không hoàn toàn cho rằng neutrino vô trùng phải tồn tại, tuy nhiên, chúng có thể rất lớn và do đó không có gì giống như neutrino vô trùng cho đến nay. Huber vẫn còn trên hàng rào. Về neutrino vô trùng, Huber nói. Sau mỗi 2 năm, một mảnh bằng chứng xuất hiện theo cách này hay cách khác, nhưng nó không bao giờ quyết định.