Các nhà vật lý thiên văn đã quan sát được neutrino (*) có năng lượng cao gấp 20 lần bất kỳ hạt nào từng được quan sát trước đó.

Hạt này – có khả năng đến từ một thiên hà xa xôi – được phát hiện bởi Kính thiên văn Neutrino Một Kilômét Khối (KM3NeT), một tập hợp các quả cầu thủy tinh cảm biến ánh sáng nằm dưới đáy biển Địa Trung Hải, vào ngày 13-2-2023, nhưng các nhà nghiên cứu theo dõi kính thiên văn này không nhận ra phát hiện này cho đến đầu năm 2024, khi họ hoàn thành phân tích đầu tiên về dữ liệu của mình.

Các nhà nghiên cứu đã công bố đây là một sự kiện có thể lập kỷ lục tại một hội nghị ở Milan, Ý, năm ngoái, nhưng không tiết lộ các chi tiết như thời gian, hướng đi hoặc năng lượng của neutrino.

“Chúng tôi phải tự thuyết phục rằng đây không phải là điều gì đó bất thường hay lỗi kỹ thuật của kính thiên văn,” Paschal Coyle, nhà vật lý neutrino tại Đại học Aix-Marseille, Pháp, và là phát ngôn viên của KM3NeT, cho biết. Kết quả này đã được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 12-2-2025 và sẽ được mô tả chi tiết trong bốn bản thảo sắp được đăng trên máy chủ arXiv.

Neutrino năng lượng cao

Neutrino là các hạt không mang điện và nhẹ hơn electron hơn một triệu lần. Chúng thường được tạo ra trong các phản ứng hạt nhân, chẳng hạn như các phản ứng diễn ra tại lõi Mặt Trời, nơi chúng có năng lượng vào khoảng hàng triệu electronvolt (10⁶ eV).

Tuy nhiên, trong hơn 10 năm qua, các nhà nghiên cứu đã ghi nhận những neutrino mang năng lượng chưa từng có, lên đến vài triệu tỷ electronvolt (10¹⁵ eV, hay 1 petaelectronvolt). Những neutrino này được cho là có nguồn gốc từ các thiên hà xa xôi. (Hạt có năng lượng cao nhất từng được phát hiện không phải là neutrino mà là một tia vũ trụ, với năng lượng lên đến 320.000 PeV, được đặt tên là hạt “Oh-My-God”).

KM3NeT bao gồm các chuỗi cảm biến ánh sáng nhạy cảm được neo xuống đáy biển ở độ sâu khoảng 3.500 mét, ngoài khơi đảo Sicily của Ý, cùng với một mạng lưới nhỏ hơn gần Toulon, Pháp. Các cảm biến này phát hiện ánh sáng phát ra từ các hạt mang điện năng lượng cao, chẳng hạn như muon (**). Muon liên tục rơi xuống bề mặt Trái Đất do được tạo ra khi tia vũ trụ va chạm với các phân tử không khí. Tuy nhiên, đôi khi một neutrino vũ trụ đâm vào bề mặt hành tinh cũng có thể tạo ra một muon.

Trong sự kiện vào tháng 2 năm 2023 được quan sát bởi đài quan sát ở Sicily, nhóm nghiên cứu ước tính rằng muon tạo ra mang năng lượng 120 PeV, dựa trên lượng ánh sáng bất thường mà nó phát ra. Quỹ đạo của hạt này gần như song song với bề mặt Trái Đất và di chuyển về phía đông, hướng về Hy Lạp.

“Chỉ riêng năng lượng 120 PeV đã đủ để chứng minh đây là một sự kiện quái vật (monster event),” Elisa Resconi, nhà vật lý neutrino tại đài quan sát IceCube ở Nam Cực, nơi lần đầu tiên phát hiện neutrino vũ trụ vào năm 2012, cho biết.

Dựa trên mức năng lượng cao của hạt và quỹ đạo gần như đi ngang của nó, nhóm nghiên cứu kết luận rằng muon này có thể không phải do tia vũ trụ tạo ra mà đến từ một neutrino – với năng lượng cao hơn ít nhất 20 lần so với bất kỳ neutrino nào từng được quan sát trước đây. “Nhìn chung, kết luận này khá thuyết phục,” Resconi, hiện đang làm việc tại Đại học Kỹ thuật Munich, Đức, nhận xét.

Không ai biết chắc chắn neutrino có năng lượng cực cao này đến từ đâu, nhưng các giả thuyết bao gồm các hố đen khổng lồ hoặc các vụ nổ sao mạnh mẽ được gọi là bùng phát tia gamma. Một số neutrino cũng có thể được tạo ra trong không gian liên sao khi các hạt như proton va chạm với bức xạ nền vi sóng vũ trụ, vốn là tàn dư của Vụ Nổ Lớn.

Khi KM3NeT phát hiện neutrino phá kỷ lục này, kính thiên văn có 21 chuỗi cảm biến. Kể từ đó, nhóm nghiên cứu đã triển khai thêm 12 chuỗi mới, giúp tăng số lượng sự kiện có thể được phát hiện và cải thiện độ chính xác của dữ liệu. Hiện tại, họ đã có đủ kinh phí để mở rộng lên 120 chuỗi và hy vọng cuối cùng sẽ đạt tổng cộng 230 chuỗi.

Các kỹ sư chuẩn bị lắp đặt một mô-đun KM3NeT vào mạng lưới máy dò dưới đáy biển. Ảnh: Paschal Coyle/CNRS

(*) Neutrino là một loại hạt cơ bản thuộc nhóm fermion trong mô hình chuẩn của vật lý hạt. Neutrino có một số đặc điểm đặc biệt: Không có điện tích nên không bị ảnh hưởng bởi lực điện từ; Khối lượng rất nhỏ, nhỏ hơn nhiều so với electron; Tương tác yếu và chỉ chịu tác động của lực hạt nhân yếu và lực hấp dẫn, nên rất khó phát hiện; có tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.

(**) Muon là một hạt hạ nguyên tử thuộc nhóm lepton, giống như electron nhưng có khối lượng lớn hơn khoảng 207 lần. Muon có điện tích âm (-1) giống electron và có phản hạt là phản muon (có điện tích dương, +1). Muon có thời gian tồn tại trung bình khoảng 2,2 micro giây trước khi phân rã thành một electron và hai neutrino.