Thêm một phát hiện mới của dự án pierre auger về tia vũ trụ năng lượng siêu cao

Ngày 9.11.2007, Dự án quốc tế Pierre Auger đã thông báo trên Tạp chí Science một kết quả thí nghiệm đáng chú ý: Nguồn phát các tia vũ trụ năng lượng cao nhất mà chúng ta đo được có thể là các hoạt tâm thiên hà (AGN) ở không xa Trái đất, tức là trong bán kính dưới 75 Mpc[1] (1 Mpc = 1.000.000 pc; pc đọc là parsec, là đơn vị độ dài trong thiên văn, 1 pc = 3,262 năm ánh sáng = 3,086 x 1013 km).

Khái niệm AGN xuất hiện cách đây khoảng 100 năm, về sau được coi là tâm của một loại thiên hà đang hoạt động mạnh, có chứa lỗ đen khổng lồ - nặng gấp vài trăm triệu lần so với Mặt trời. Quanh vùng hoạt tâm này có những khối vật chất bắn ra với động năng khổng lồ. Phát hiện này được xếp vào hàng “top-ten” các công trình khoa học tự nhiên có giá trị đặc biệt trong năm 2007 của thế giới.

Thông tin về AGN còn chưa kịp “nguội” thì cách đây một tháng, ngày 4.8.2008, Tạp chí Physical Review Letters lại đăng tải tiếp một kết quả thí nghiệm nữa của Dự án Auger mà người ta mong chờ từ lâu, đó là: Bằng chứng về hiện tượng cắt ngưỡng các tia vũ trụ GZK ở năng lượng cao (trên 5x1019 eV[2]). Hầu hết chúng ta đã nghe nói đến khái niệm Big-Bang, “vụ nổ” kéo theo sự dãn nở vũ trụ. Một bằng chứng về giả thuyết Big-Bang là sóng vô tuyến tàn dư được phát hiện năm 1964. Ngay năm tiếp theo, ba nhà vật lý là Greizen, Zatsepin và Kuzmin đã đưa ra giả thuyết về hiệu ứng GZK (mang tên ba ông) với dự đoán là, chùm hạt proton (thành phần chính của tia vũ trụ) khi được gia tốc đạt năng lượng cao hơn 5x1019 eV thì sẽ xảy ra va chạm phi đàn hồi với các photon năng lượng cực thấp của sóng vô tuyến tàn dư, khiến năng lượng của tia vũ trụ bị giới hạn ngưỡng trên khi chúng phải đi qua một quãng đường xa hơn 50 Mpc. Trong nhiều năm, người ta đã cố gắng chứng minh giả thuyết này, tuy nhiên số lượng tia vũ trụ năng lượng siêu cao như trên rất hiếm hoi: Cứ 100 năm, trên mỗi kilômét vuông mặt đất may ra hứng đón được một tia như vậy. Trong thập niên 90 của thế kỷ XX, có hai dự án thí nghiệm đi tiên phong tìm kiếm các tia năng lượng siêu cao là Dự án AGASA (Nhật Bản) và HiRes (Mỹ) và đã đo được vài chục tia năng lượng siêu cao, nhưng kết quả của hai dự án này lại mâu thuẫn nhau. AGASA dường như phủ định hiệu ứng cắt ngưỡng GZK, trong khi đó HiRes thiên về khả năng khẳng định có sự cắt ngưỡng. Người ta chưa thể rút ra kết luận vì các số liệu thống kê còn quá ít, hơn nữa hai dự án dùng hai loại máy đo khác nhau, nên không loại trừ có những sai số do độ lệch pha của hai hệ thống thiết bị gây ra.

Trong bối cảnh như vậy, Dự án Auger bắt đầu xây lắp thiết bị ở Argentina từ năm 1998 và vận hành từng phần cách đây 4 năm. Đây là hệ thiết bị khổng lồ có diện tích bao phủ rộng gấp hàng chục lần so với hai dự án trước kia, trong đó sử dụng cùng lúc hai kỹ thuật ghi đo khác nhau, để có thể kiểm định và loại trừ các sai số hệ thống. Số liệu thực nghiệm sau ba năm được tích cóp tương đương với một năm vận hành đầy đủ theo công suất thiết kế của Dự án Auger. Kết quả thí nghiệm vừa công bố cho thấy: Tại vùng năng lượng trên 5x1019 eV, số lượng tia vũ trụ đo được giảm đi rõ rệt do hiệu ứng cắt ngưỡng GZK. Điều này có nghĩa là, chỉ các tia vũ trụ năng lượng siêu cao phát ra từ những nguồn ở khoảng cách gần hơn 50-100 Mpc mới có thể đến Trái đất mà vẫn bảo toàn được năng lượng ban đầu. Những tia năng lượng cao hơn ngưỡng đến từ các nguồn ở xa hơn đều bị giảm động năng xuống xấp xỉ ngưỡng cắt do bị va chạm phi đàn hồi. Vậy là cuối cùng, sau 43 năm chờ đợi, câu đố về hiệu ứng GZK đã được hoá giải.

Hiện nay, hệ thiết bị của Dự án Auger ở Argentina đã lắp đặt xong và sẽ chính thức khánh thành ngày 14.11.2008. Dự án Auger còn tiếp tục xây lắp một hệ thống tương tự, nhưng quy mô có thể lớn gấp đôi ở Bắc bán cầu, tại bang Colorado, Mỹ. Sau khoảng năm năm nữa, hai đài thiên văn Auger ở Nam và Bắc bán cầu sẽ cùng phối hợp đo tia vũ trụ trên toàn bộ bầu trời.

Từ nay, chúng ta có thể ghi đo các tia vũ trụ năng lượng siêu cao và sử dụng chúng như những tia sáng chiếu thẳng đến kính thiên văn để quan sát các vì sao. Chỉ có điều, những “tia sáng” này không nhìn được bằng mắt thường và nguồn phát không phải là các vì sao thông thường, mà là những đối tượng thiên văn đặc biệt như AGN. Một kỷ nguyên mới của môn vật lý thiên văn - tia vũ trụ đã được mở ra.

Điều muốn nói thêm là, trong danh sách đồng tác giả các công bố quan trọng vừa qua của Dự án Auger đều có tên các nghiên cứu sinh của Nhóm vật lý tia vũ trụ Việt Nam - Auger thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân (Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam - Bộ Khoa học và Công nghệ). Nhóm này được thành lập từ năm 1995 (dưới sự giúp đỡ về chuyên môn của GS Pierre Darriulat - một trong những nhà vật lý xuất sắc nhất thế giới trong vòng 30 năm trở lại đây và TS Võ Văn Thuận - nguyên Viện trưởng Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân). Từ nhiều năm nay, đây là nơi thực tập, nghiên cứu về vật lý thiên văn và vật lý hạt cơ bản cho sinh viên và nghiên cứu sinh trong mối liên kết hợp tác chặt chẽ với Dự án quốc tế Pierre Auger. Nhóm đã được Hội đồng Khoa học tự nhiên ngành Vật lý, Bộ Khoa học và Công nghệ Việt Nam quan tâm, liên tục tài trợ kinh phí cho các đề tài nghiên cứu cơ bản từ năm 2000 và hỗ trợ kinh phí hợp tác quốc tế theo Nghị định thư từ năm 2004. Nhiều tổ chức quốc tế như: CERN, RIKEN (Nhật Bản), CNRS (Pháp), Hội Gặp gỡ Việt Nam, World-Lab đã giúp đỡ Nhóm một số trang thiết bị hiện đại và một phần kinh phí. Đây chính là cơ hội độc đáo cho các nhà khoa học trẻ Việt Nam hoà nhập vào cộng đồng khoa học tiên tiến nhất trên thế giới.

________

[1] Auger Collaboration, Science, Vol.318 (2007) p.939.

[2] Pierre Auger Collaboration, Physical Review Letters, Vol. 101 (2008) p.061101.