Nobel Vật lý 2026 vinh danh kính thiên văn chôn sâu 2 km dưới lớp băng Nam Cực

Những máy gia tốc hạt mạnh nhất trong vũ trụ không nằm trên Trái Đất, và trong nhiều thập kỷ, không ai biết chúng ở đâu. Francis Halzen đã đi tìm chúng trong một khối băng rộng một kilômét khối dưới Nam Cực, được gắn hàng nghìn cảm biến ánh sáng để bắt những hạt nhút nhát nhất trong vật lý. Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển vừa trao cho ông giải Nobel Vật lý nhờ máy dò đó và những gì nó phát hiện, và ông không phải chia sẻ giải thưởng với ai.

Máy dò có tên IceCube, và nó đã bắt được những neutrino năng lượng cao đầu tiên được biết đến từ xa ngoài hệ Mặt Trời. Neutrino không mang điện tích và hầu như không có khối lượng, và khoảng 65 tỷ neutrino từ Mặt Trời xuyên qua móng tay bạn mỗi giây mà không chạm vào một nguyên tử nào. Bởi vì chúng bay theo đường thẳng và lướt qua bụi, khí và từ trường, những neutrino vũ trụ hiếm hoi chỉ về những nơi bạo lực nơi chúng được sinh ra. Điều đó biến chúng thành một loại kính thiên văn mới, có thể nhìn vào những vùng mà ánh sáng không thể thoát ra.

Halzen, nhà vật lý gốc Bỉ tại Đại học Wisconsin–Madison, 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.” Ông là người đầu tiên trong 34 năm giành giải vật lý một mình, và ông giữ toàn bộ 12 triệu kronor Thụy Điển. “Francis Halzen đã dẫn dắt một nhóm quốc tế gồm các nhà nghiên cứu và kỹ sư, những người đã mang đến cho chúng ta một công cụ tuyệt vời. Sự kiên trì và tầm nhìn khoa học của ông đã mở đường cho một loại thiên văn học mới,” Mark Pearce, chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý, phát biểu.

Tại sao cần một sông băng để tìm máy gia tốc vũ trụ

Không gian bị băng qua bởi các tia vũ trụ, chủ yếu là proton trần, và một số đến với năng lượng cao hơn tới một triệu lần so với bất kỳ phòng thí nghiệm nào trên Trái Đất có thể đạt được. Thứ gì đó ngoài kia gia tốc chúng, có thể là các ngôi sao đang nổ hoặc các tia phun từ hố đen siêu khối. Proton không thể tiết lộ thủ phạm, vì từ trường bẻ cong đường đi của chúng trên đường đến đây, vì vậy khi chúng chạm vào khí quyển, hướng của chúng chẳng có ý nghĩa gì.

Các quá trình tương tự gia tốc proton cũng sẽ tạo ra neutrino, và từ trường không làm lệch hướng chúng. Vấn đề là neutrino hầu như không bao giờ tương tác với bất cứ thứ gì. Trong trường hợp hiếm hoi một hạt va vào hạt nhân nguyên tử, nó tạo ra một hạt mang điện lao qua vật chất và phát ra ánh sáng xanh mờ. Trong một môi trường trong suốt, các cảm biến có thể ghi lại tia chớp đó và tái tạo nơi neutrino đến. Neutrino vũ trụ hiếm đến nỗi bạn cần một thể tích trong suốt khổng lồ để bắt được dù chỉ một nắm.

Ý tưởng của Halzen là tảng băng Nam Cực đã là thể tích đó. Ở độ sâu lớn, nó tối vĩnh viễn, không có sinh vật sống gây nhiễu cho các máy dò đại dương, ít phóng xạ và ổn định về mặt địa chất, không có động đất.

Cách họ thực hiện

Kế hoạch nghe có vẻ bất khả thi. Các đội phải làm tan chảy các lỗ sâu hơn một kilômét bằng một mũi khoan nước nóng hoạt động như một đầu vòi sen phức tạp, sau đó thả các dây cáp gắn cảm biến ánh sáng xuống nước trước khi nó đóng băng lại. Halzen mô tả mỗi cảm biến như một bóng đèn ngược: nó nhận ánh sáng và biến nó thành tín hiệu điện. Toàn bộ công trình phải được thực hiện trong mùa hè ngắn ngủi ở Nam Cực từ tháng 11 đến tháng 2.

Lần thử đầu tiên, một mảng nhỏ hơn có tên AMANDA, suýt chôn vùi ý tưởng. Ở độ sâu nơi các cảm biến đầu tiên được đặt, băng đầy những bọt khí nhỏ làm tán xạ ánh sáng theo mọi hướng, vì vậy một tia chớp mất phương hướng trong vòng nửa mét. Sâu hơn, bức tranh thay đổi hoàn toàn. Dưới khoảng 1.400 mét, băng hóa ra trong đến nỗi ánh sáng từ va chạm neutrino có thể truyền đi 300 mét, xa hơn nhiều so với bất kỳ ai dự đoán.

IceCube đã mở rộng bài học đó. 86 dây cáp của nó treo ở độ sâu từ 1.450 đến 2.450 mét dưới bề mặt, cách nhau 125 mét, mỗi dây mang 60 cảm biến cách nhau 17 mét, tổng cộng 5.160 cảm biến. Khối băng được trang bị dụng cụ rộng một kilômét khối nặng khoảng một tỷ tấn. Đài quan sát được quản lý bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ và vận hành bởi sự hợp tác của khoảng 450 người từ 58 tổ chức ở 14 quốc gia.

Những tia chớp chứng minh điều đó

Hầu hết những gì IceCube thấy là nhiễu. Hơn 100 triệu muon được tạo ra bởi tia vũ trụ trong không khí phía trên Nam Cực đến các cảm biến mỗi ngày, và vài trăm neutrino được tạo ra trong khí quyển ở phía xa của hành tinh đến sau khi xuyên qua toàn bộ Trái Đất. Để cô lập tín hiệu vũ trụ, nhóm nghiên cứu coi lớp ngoài của máy dò như một tấm chắn phủ quyết và chỉ giữ lại những neutrino bật lên bên trong lõi, xa các cạnh.

Hai sự kiện thuyết phục đầu tiên xuất hiện một cách tình cờ, trong quá trình tìm kiếm các hạt thậm chí còn năng lượng hơn. Mỗi sự kiện giải phóng khoảng một petaelectronvolt, một nghìn nghìn tỷ electron volt, hơn một trăm lần năng lượng mà Máy gia tốc hạt lớn (Large Hadron Collider) cung cấp cho mỗi proton của nó. Hai sự kiện đó đã dẫn nhóm nghiên cứu đến 28 neutrino năng lượng cao trong cùng hai năm dữ liệu, và một mẫu lớn hơn sau đó loại trừ nguồn gốc khí quyển với độ tin cậy thống kê 5,7 sigma, vượt quá ngưỡng 5 sigma mà các nhà vật lý sử dụng để tuyên bố một khám phá.

Bước nhảy vọt so với thiên văn học neutrino trước đó là rất lớn. Các neutrino đã mang giải vật lý cho Raymond Davis Jr và Masatoshi Koshiba đến từ Mặt Trời và từ một siêu tân tinh cách 160.000 năm ánh sáng, với năng lượng thấp hơn khoảng một tỷ lần. Neutrino năng lượng nhất của IceCube cho đến nay mang ước tính 11,4 petaelectronvolt.

Điều giải thưởng chưa giải quyết

IceCube đã chứng minh rằng tồn tại một dòng neutrino vũ trụ ổn định, nhưng nó chưa chỉ ra hầu hết chúng đến từ đâu. Các ứng cử viên tốt nhất vẫn chỉ là ứng cử viên. Một neutrino đến từ hướng của một blazar bùng phát có tên TXS 0506+056, một thiên hà có hố đen bắn một tia phun về phía Trái Đất, và một cuộc tìm kiếm qua dữ liệu cũ hơn đã tìm thấy một đợt bùng phát trước đó từ cùng một điểm với độ tin cậy 3,5 sigma, thấp hơn nhiều so với ngưỡng khám phá.

Nguồn đơn lẻ mạnh nhất cho đến nay là thiên hà hoạt động NGC 1068, còn được gọi là M77, cách 46 triệu năm ánh sáng trong chòm sao Cetus (Kình Ngư). IceCube đếm được 79 neutrino từ hướng của nó, với độ tin cậy 4,2 sigma. Văn bản nền tảng của chính ủy ban Nobel nói rằng bằng chứng chưa đủ mạnh để gọi NGC 1068 là một nguồn đã được xác nhận.

Cũng có câu hỏi về công lao. IceCube là công trình của hàng trăm nhà khoa học và kỹ sư, và giải vật lý chỉ có thể trao cho cá nhân. Ủy ban đã chọn Halzen là người đã phát minh ra khái niệm, thiết kế nó và dẫn dắt nó với tư cách trưởng nhóm nghiên cứu chính trong suốt quá trình xây dựng và vận hành.

Những câu hỏi thường gặp về Giải Nobel Vật lý 2026

Ai đã giành giải Nobel Vật lý 2026?

Francis Halzen của Đại học Wisconsin–Madison giành giải một mình, nhờ vai trò quyết định trong việc xây dựng Đài quan sát Neutrino IceCube và phát hiện neutrino năng lượng cao từ không gian. Ông sinh ra ở Tienen, Bỉ, và nhận toàn bộ 12 triệu kronor Thụy Điển.

Neutrino là gì?

Neutrino là một hạt hạ nguyên tử không mang điện tích và hầu như không có khối lượng. Nó tương tác yếu đến nỗi hàng tỷ hạt xuyên qua cơ thể bạn mỗi giây mà không bị phát hiện.

IceCube phát hiện neutrino như thế nào?

Khi một neutrino va vào hạt nhân nguyên tử trong băng, nó tạo ra một hạt mang điện phát ra ánh sáng xanh mờ khi di chuyển. Hơn 5.000 cảm biến được chôn ở độ sâu từ 1.450 đến 2.450 mét ghi lại tia chớp, và mô hình ánh sáng tiết lộ năng lượng và hướng của hạt.

Tại sao xây kính thiên văn neutrino ở Nam Cực?

Băng sâu ở Nam Cực cực kỳ trong suốt, tối vĩnh viễn, không có sinh vật sống và ổn định về mặt địa chất. Trạm Nam Cực Amundsen-Scott hiện có cũng cung cấp hậu cần, điện và nhân sự cần thiết để khoan lỗ và xây dựng một máy dò rộng một kilômét.

Neutrino vũ trụ đến từ đâu?

Chưa ai biết chắc chắn. IceCube đã thấy neutrino từ mặt phẳng của Dải Ngân Hà của chúng ta và đã chỉ ra thiên hà hoạt động NGC 1068 và blazar TXS 0506+056 là những nguồn có khả năng, nhưng không nguồn nào trong số này chiếm phần lớn dòng hạt.

Khi nó xảy ra, và điều gì tiếp theo

Halzen và đồng nghiệp John G. Learned lần đầu tiên trình bày khái niệm Nam Cực tại một hội nghị ở Ba Lan vào năm 1988. Halzen nhớ lại việc chờ đợi vào đêm Giáng sinh năm 1993, máy tính trên đùi, để nhận tin rằng dây cáp AMANDA đầu tiên đã ở trong băng. Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ phê duyệt tài trợ cho IceCube vào năm 2002, máy dò được hoàn thành vào năm 2011, và bằng chứng đầu tiên về neutrino vũ trụ được công bố vào năm 2013. Các neutrino năng lượng cao từ Dải Ngân Hà xuất hiện sau đó vào năm 2023.

Các kế nhiệm đã bắt đầu hình thành: KM3NeT ở Địa Trung Hải, Baikal-GVD ở hồ Baikal, P-ONE ngoài khơi đảo Vancouver và TRIDENT ở Biển Đông. Tại Nam Cực, việc lập kế hoạch cho IceCube-Gen2 đã bắt đầu, sẽ bao phủ khoảng tám kilômét khối băng. Halzen sẽ nhận huy chương của mình tại Stockholm vào ngày 10 tháng 12.

Reference: IceCube Collaboration, “Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector,” Science, 2013. DOI: 10.1126/science.1242856

Thẻ: thiên văn học, Giải Nobel, IceCube, neutrino, Francis Halzen, Nam Cực