Francis Halzen, nhà vật lý đoạt Nobel chưa từng đặt chân tới Nam Cực

Francis Halzen chưa bao giờ đặt chân lên lớp băng làm nên danh tiếng của ông. Suốt nhiều thập niên, nhà vật lý tại Đại học Wisconsin–Madison kiên trì lập luận rằng một khối băng hà Nam Cực dưới Cực Nam, được lắp các cảm biến ánh sáng, có thể phát hiện những hạt sinh ra từ các vùng dữ dội nhất vũ trụ. Ông soạn các đề án và dẫn dắt nhóm hợp tác xây dựng máy dò. Còn công việc khoan băng và những mùa thi công trong giá lạnh là phần của những người khác. Mùa thu năm nay, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển trao cho ông giải Nobel Vật lý — và chỉ trao cho riêng ông — cho một đài quan sát do hàng trăm nhà khoa học và kỹ sư cùng xây dựng.

Điều khác thường trong câu chuyện này chính là sự đơn độc ấy. Giải thưởng vật lý thường được trao cho hai hoặc ba người, trong khi IceCube là dự án hợp tác quy tụ hơn chục quốc gia. Chính Halzen kể về khởi nguồn của dự án như một chuỗi tình cờ. “Tôi bị cuốn vào chuyện này một cách tình cờ,” ông nói trong cuộc phỏng vấn lịch sử truyền khẩu với Viện Vật lý Hoa Kỳ. Trong số bốn người sáng lập, ông là người duy nhất từng viết một bản đề xuất.

Con đường đưa ông tới Cực Nam bắt đầu ở một nơi chẳng có băng tuyết. Ông sinh ngày 23 tháng 3 năm 1944 tại Tienen, một thị trấn thuộc tỉnh Brabant vùng Flanders. Ông học vật lý tại Đại học Công giáo Leuven, nhận bằng thạc sĩ năm 1966 và bằng tiến sĩ năm 1969 với luận án viết bằng tiếng Hà Lan về các đối xứng bị phá vỡ của hadron. Sau đó, ông làm cộng sự nghiên cứu hai năm tại CERN, phòng thí nghiệm vật lý hạt châu Âu gần Geneva, rồi vượt Đại Tây Dương đến Madison, nơi ông đã làm việc hơn nửa thế kỷ.

Tại Wisconsin, ông nghiên cứu lý thuyết về quark và các vụ va chạm trong máy gia tốc. Năm 1977, ông trở thành giáo sư chính thức; đến năm 1984, ông được bổ nhiệm làm giám đốc Viện Nghiên cứu Vật lý Hạt cơ bản của trường đại học, vị trí ông vẫn đảm nhiệm cho đến nay. Cũng trong năm đó, ông cùng nhà vật lý người Anh Alan D. Martin xuất bản cuốn Quarks and Leptons, nhanh chóng trở thành giáo trình tiêu chuẩn về vật lý hạt. Khi ấy, mối quan tâm của ông đã dần chuyển sang các tia vũ trụ, những hạt va vào Trái Đất với mức năng lượng mà không phòng thí nghiệm nào có thể đạt tới.

Năm 1987, ông nghe nói về kế hoạch của Liên Xô dùng ăng-ten vô tuyến để dò neutrino trong băng Nam Cực. Ông cho rằng tín hiệu quá yếu, nhưng hình ảnh khối băng vẫn khiến ông suy nghĩ. Neutrino không mang điện tích và hầu như không có khối lượng. Chúng xuyên qua hành tinh mà không dừng lại, và chính điều đó khiến chúng hữu ích: chúng bay theo đường thẳng từ nơi được sinh ra. Trong trường hợp hiếm hoi một neutrino va vào hạt nhân nguyên tử, va chạm sẽ tạo ra một hạt mang điện phát ra ánh sáng xanh mờ. Đề xuất của Halzen là tìm những ánh chớp ấy trong lớp băng trong, tối và ổn định bên dưới Cực Nam. Năm 1988, ông trình bày ý tưởng tại một hội nghị ở Ba Lan cùng John Learned, người đứng đầu nỗ lực xây dựng máy dò dưới nước ngoài khơi Hawaii. “Tôi trình bày về ý tưởng AMANDA… chỉ để xem có ai cười đuổi tôi khỏi sân khấu không,” ông nhớ lại. Không ai cười.

Dự án thử nghiệm AMANDA bắt đầu thành hình vào khoảng năm 1990 với một nhóm nhỏ các nhà vật lý, trong đó có Bob Morse, đồng nghiệp của Halzen tại Wisconsin và là chủ nhiệm chính thức của dự án. AMANDA suýt khiến toàn bộ ý tưởng đổ bể. Gần bề mặt, băng chứa đầy những bong bóng khí li ti, làm tán xạ ánh sáng mạnh đến mức ánh chớp gần như lập tức mất phương hướng. Ở sâu hơn, lớp băng hóa ra trong hơn nhiều so với dự đoán của mọi người. AMANDA chứng minh phương pháp này có thể phát hiện neutrino, đồng thời cho thấy một kính thiên văn thực thụ sẽ phải lớn và sâu hơn nhiều.

Năm 2001, Halzen trở thành chủ nhiệm dự án kế nhiệm, IceCube. Sau sáu năm, các đội thi công dùng nước nóng làm tan băng để khoan lỗ, thả những dây cảm biến xuống trước khi nước đóng băng trở lại, đài quan sát hoàn thành vào năm 2011: một khối băng được trang bị thiết bị với thể tích một kilômét khối, chứa 5.160 mô-đun quang học ở độ sâu khoảng 1.450 đến 2.450 mét dưới bề mặt. Năm 2013, nhóm hợp tác công bố bằng chứng đầu tiên về neutrino năng lượng cao đến từ bên ngoài Hệ Mặt Trời — những hạt có năng lượng cao hơn nhiều so với bất kỳ hạt nào được gia tốc tại Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN — và tạp chí Physics World vinh danh phát hiện này là đột phá của năm. Những nghiên cứu sau đó lần theo neutrino đến một blazar đang bùng sáng mang tên TXS 0506+056, đến thiên hà hoạt động NGC 1068 và, vào năm 2023, đến mặt phẳng Ngân Hà của chúng ta.

Phần trích dẫn giải Nobel ghi nhận “những đóng góp mang tính quyết định”, và cách dùng từ này rất đáng chú ý. Halzen là nhà lý thuyết; theo chính lời ông, ông chưa từng đến Nam Cực, cả trong thời kỳ AMANDA lẫn sau đó. Một bài luận do Viện Vật lý Hoa Kỳ đăng sau thông báo trao giải nhận định rằng “không nên xem ông là động lực duy nhất hay người chủ mưu đứng sau dự án”; cuốn sách về dự án của Mark Bowen, The Telescope in the Ice, cũng dành phần lớn câu chuyện cho những người như Morse và chuyên gia khoan băng Bruce Koci. Halzen không phủ nhận điều đó. “Nếu họ không bảo tôi làm, tôi đã không trở thành PI,” ông nói, nhớ lại việc mình được cảnh báo rằng dự án sẽ không thể tiến hành nếu ông không làm chủ nhiệm, ngay khi nguồn tài trợ sắp được giải ngân. Khoa học từ dự án cũng còn một khoảng trống: IceCube đã chứng minh có một dòng neutrino vũ trụ ổn định, nhưng phần lớn số neutrino này vẫn chưa xác định được nguồn gốc; ngay cả ứng viên sáng giá nhất, NGC 1068, cũng chỉ được phát hiện với mức tin cậy thống kê thấp hơn ngưỡng mà các nhà vật lý dùng để tuyên bố một khám phá.

Thông báo ngày 6 tháng 10 năm 2026 đến với ông khi đang ở Italy, vài ngày sau khi ông nói về IceCube tại một lễ hội khoa học ở Bergamo. “Đó là một bất ngờ lớn; tôi hoàn toàn không ngờ tới,” ông nói qua điện thoại trong cuộc họp báo ở Stockholm. Ông là người đầu tiên kể từ năm 1992 nhận giải vật lý một mình, là người Bỉ thứ 11 đoạt giải Nobel và là thành viên đương nhiệm đầu tiên của ban giảng huấn Wisconsin nhận giải kể từ năm 1975. Đầu năm đó, Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ đã trao cho ông huy chương ghi nhận thành tựu nghiên cứu xuất sắc; năm 2024, ông được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ.

Ông xem giải thưởng như một đòn bẩy. “Tôi đang làm một đề xuất và hy vọng giải thưởng này sẽ giúp đề xuất được thông qua,” ông nói với các phóng viên ở Madison, khiến mọi người bật cười. Nhóm hợp tác của ông đã lên kế hoạch cho IceCube-Gen2, dự án mở rộng lên khoảng tám kilômét khối băng, nhưng toàn bộ kinh phí xây dựng vẫn chưa được cấp; trong khi đó, các kính thiên văn neutrino đối thủ đang được xây dựng ở Địa Trung Hải và hồ Baikal. Halzen, nay 82 tuổi, sẽ nhận huy chương tại Stockholm vào ngày 10 tháng 12. Dự án mà người ta từng gọi, theo lời ông, là “một ý tưởng dễ thương” nhưng “sẽ chẳng bao giờ thành công” vẫn đang ghi nhận những ánh chớp trong bóng tối, và phần lớn nơi chúng phát ra vẫn chưa có tên.

Thẻ: Nobel Prize, IceCube, neutrino, vật lý, Francis Halzen, Alan D. Martin

Người liên quan

Eric Rignot

Georg Nagel

Neil Gehrels

Konstantin Batygin

Karl Deisseroth

Stefano Mancuso