Thí nghiệm Pierre Auger và những kết quả mới nhất về vật lý tia vũ trụ năng lượng cao
1. Tia vũ trụ là gì?
Ngoài các hạt trung hòa như tia gamma và neutrino, tia vũ trụ là những hạt bền vững tích điện thường có năng lượng cao hơn nhiều so với chùm hạt trên máy gia tốc. Gần 90% tia vũ trị là proton, còn lại là hạtavà một ít hạt nhân nặng hơn, điển hình là Fe. Nguồn gốc via vũ trụ năng lượng cao vẫn còn cần được làm sáng tỏ. Có một cách giải thích dễ chấp nhận về cơ chế gia tốc, đó là sau khi các hạt nặng sinh ra từ các vụ nổ hạt nhân trong vũ trụ, chúng phải chu du hàng triệu, hàng tỉ năm trong không gian, qua những vùng có từ trường không đều (~10 -6Gauss), đủ để cho chúng dần dần tích lũy động năng tới 10 15eV hoặc hơn thế. Các tia vũ trụ năng lượng càng cao thì số tia đến trái đất càng ít, thí dụ tia có năng lượng trên 10 19eV chỉ có tần suất xấp xỉ một lần trong 1 năm trên tiết diện 1 km 2. Như Greizen, Zatsepin và Kuzmin (1965) dự đoán năng lượng của tia vũ trụ không thể vượt quá 10 20eV, vì sự va chạm phi đàn hồi đáng kể giữa chúng với phông bức xạ tàn dư sau vụ Big - Bang. Hậu quả là phổ năng lượng tia vũ trụ sẽ phải kết thúc ở đây và hiện tượng đó gọi là cắt ngưỡng GZK (theo tên các tác giả). Để đo được loại tia năng lượng cực cao này, người ta đã lập các đài thiên văn trên mặt đất với một mạng lưới thiết bị đo trải rộng trên diện tích hàng km 2. Trong thập niên 1990, đó là các thí nghiệm AGASA và HiRes. Hai thí nghiệm này dùng riêng rẽ 2 loại thiết bị đo khác nhau là hệ đo Cherenkov chứa nước và hệ đo huỳnh quanh khí quyển. Kết quả của hai thí nghiệm dường như mâu thuẫn với nhau, cụ thể là AGASA không thấy cắt ngưỡng GZK, còn HiRes lại có cắt ngưỡng. Nhưng với thống kê còn nghèo thì chưa thể kết luận rõ ràng. Từ năm 1998 dự án Pierre Auger chính thức khởi công xây dựng một đài thiên văn lớn nhất từ trước đến nay, với diện tích khoảng 3000 km 2trên cao nguyên Mendoza, Arhentina, nhằm mục đích đo được chính xác đuôi phổ năng lượng cao của tia vũ trụ. Dự án Auger có một ưu thế vượt trội là sử dụng cả hai loại thiết bị đo Cherenkov và huỳnh quang phối hợp trong một hệ đo kép, nhờ vậy loại trừ được các sai số hệ thống và tăng độ tin cậy lên đáng kể. Mặc dù đến cuối năm nay, toàn bộ số thiết bị đo gồm 1600 bình Cherenkov và 4 trạm huỳnh quang mới được lắp dặt và vận hành đồng bộ, nhưng từ năm 2003, khi chỉ bắt đầu có vài trăm trạm, đài thiên văn Auger đã tiến hành thí nghiệm và cung cấp số liệu khoa học.
2. Hội nghị Mehico và những vấn đề thời sự
Từ ngày 3 đến 11 - 7 - 2007 tại Merida, Mêhicô đã diễn ra Hội nghị quốc tế về Tia vũ trụ lần thứ 30 (ICRC 2007). Đây là hội nghị lớn nhất tổ chức định kỳ 2 năm một lần về lĩnh vực nghiên cứu vật lý thiên văn và vũ trụ học bằng phương pháp đo tia vũ trụ. Trong Hội nghị lần trước tổ chức tháng 8 - 2005 tại Pune, Ấn Độ, tập thể tác giả của Dự án Pierre Auger đã công bố những kết quả khoa học đầu tiên ghi đo được tại đài thiên văn Auger ở Arhentina. Đến tháng 7 - 2007 cả 4 trạm đo huỳnh quang và gần 1400 bình Cherenkov (chiếm khoảng 85% thiết kế) đã được vận hành. Số liệu thực nghiệm ghi nhận được bắt đầu vượt lượng thông tin của tất cả các thí nghiệm trước đây trên thế giới. Trên cơ sở đó tập thể Auger đã tiến hành bước đầu đánh giá về thông lượng tia vũ trụ ở giải năng lượng rất cao, về khả năng tồn tại các nguồn phát tia, khả năng nhận diện bản chất tia sơ cấp... Đây là những thông tin rất quang trọng và là tâm điểm chú ý của Hội nghị ICRC 2007.
Đánh giá phổ tia vũ trụ năng lượng siêu cao:
Tính đến tháng 7 - 2007, thí nghiệm Auger đã tích lũy được nhiều sự kiện tia vũ trụ với năng lượng trên 10 17eV, trong đó có gần 100 sự kiện năng lượng rất cao (trên 5.10 19eV) vượt trên tổng số sự kiện của các dự án trước là HiRes và AGASA gộp lại. Hơn thế nữa, nhờ có 387 sự kiện được đo bằng hệ kép (ghi nhận cùng lúc bằng cả hai loại thiết bị Cherenkov và huỳnh quang) nên bộ số liệu Auger có chất lượng và độ tin cậy cao hơn hẳn. Số liệu Auger đã chỉ ra rõ ràng vị trí của vùng “mắt cá” (ankle) tại năng lượng 4,5.10 18eV và vùng “bậc thang” tại 3,55.10 19eV trong đuôi phổ năng lượng. Riêng năng lượng cao hơn 10 20eV thì số liệu Auger chỉ ghi được có 2 tia, vì các bình Cherenkov chỉ mới bắt đầu đủ diện tích đo trong năm gần đây. Kết quả này dường như hướng theo khả năng khẳng định có cắt ngưỡng GZK. Chúng sẽ có lợi cho kết quả thí nghiệm HiRes, nhưng chúng cũng có những xê dịch hệ thống thấp hơn so với phổ năng lượng của HiRes. Vì vậy cần thận trọng chờ thêm số liệu trước khi kết luận.
Tìm kiếm nguồn phát tia năng lượng rất cao:
Số liệu Auger cho phép khảo sát độ bất đẳng hướng trong phân bố không gian. Những kết quả công bố mới nhất cho thấy chưa có một sự bất xứng nào đặc biệt. Điều đó không ủng hộ những tiên liệu của thí nghiệm AGASA về khả năng hội tụ (clustering) các thiên hà để đóng vai trò nguồn phát tia vũ trụ năng lượng siêu cao. Mặt khác nó cũng không ủng hộ dữ liệu của HiRes vốn đưa ra dấu hiệu của nguồn điểm ở trung tâm Ngân hà. Tuy nhiên ở mức độ nhẹ, bộ số liệu của Auger có một số tia tương đối chụm từ hướng Trung tâm thiên hà. Như vậy chúng ta còn phải tiếp tục thống kê để có thể tìm thấy một nguồn phát tia nào đó trong một vài năm sắp tới.
Bản chất các tia vũ trụ (thành phần hóa học):
Hệ đo kép của Auger đã đánh giá chính xác hơn hẳn đại lượng đặc trưng mặt cắt ngang cực đại của vùng mưa rào khí quyển diện rộng của các hạt thứ cấp do tia vũ trụ sơ cấp gây ra. Độ cao mặt cắt cực đại của mỗi mưa rào cho phép đánh giá về nguyên tử số A của hạt ban đầu, cụ thể là các hạt nhân nặng như Fe tạo ra mặt cắt cực đại ở độ cao hơn hẳn so với hạt proton. Kết quả bước đầu của Auger cho thấy, dường như ở năng lượng càng cao, các hạt có số khối càng lớn hơn. Tất nhiên phải chờ tích luỹ thêm nhiều số liệu và tiến hành nghiên cứu phân tích ngày càng chi tiết mới có thể kết luận định hướng về thành phần hoá học của các tia vũ trụ sơ cấp. Các phép phân tích có khi còn lệ thuộc vào mô hình thí nghiệm hoặc phụ thuộc vào các giả thiết về tương tác hạt nhân ở vùng năng lượng rất cao mà chúng ta vốn không thể kiểm định trên máy gia tốc. Thông tin về thành phần hoá học của tia vũ trụ sẽ rất quan trọng, có ảnh hưởng đến kết luận về hiệu ứng cắt ngưỡng GZK, cũng như về nguồn phát và cơ chế gia tốc tia vũ trụ năng lượng cao nhất.
3. Việt Nam là thành viên châu Á duy nhất trong Dự án quốc tế Pierre Auger
Hiện nay có khoảng 300 nhà khoa học tại 40 phòng thí nghiệm của 17 nước thành viên tham gia thí nghiệm quốc tế Pierre Auger. Trong số này có 5 thành viên của G7 (trừ Nhật và Canada), có 10 nước châu Âu, 5 nước châu Mỹ, có thêm Úc và 1 nước châu Á duy nhất, đó là nhóm VATLY tại Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân của Việt Nam.
Vượt qua mọi khó khăn, Việt Namđã kiên trì theo đuổi các hoạt động của dự án quốc tế ngay từ những ngày đầu: Việt Nam từng họp thành lập dự án Auger tại UNESCO và cử người tham gia nghiêm cứu khả thi tại Ferlab năm 1995. Từ năm 2000, với sự giúp đỡ trực tiếp của giáo sư Pierre Darriulat, viện sĩ hàn lâm khoa học Pháp và dựa vào thiết bị tài trợ của Trung tâm Nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN), Bộ Khoa học và Công nghệ đã cấp kinh phí xây dựng và vận hành Phòng thí nghiệm Vật lý tia vũ trụ đặt tại Viện KH & KT Hạt nhân Nghĩa Đô, Hà Nội gọi tắt là VATLY (Việt Nam Auger Training Laboratory). Từ đó VATLY trở thành cái nôi đào tạo các nhà khoa học trẻ Việt Nam để tham gia vào thí nghiệm quốc tế Pierre Auger. Mặc dù khả năng đóng góp vật chất còn hạn chế, nhưng với sự cố gắng của mình, Việt Nam đã được tập thể quốc tế Auger ủng hộ rất nhiệt tình. Khi thí nghiệm Auger chính thức khởi động, nhóm Việt Nam được công nhận là một thành viên liên kết. Cả hai nhà sáng lập và lãnh đạo của Auger là giáo sư Jim W. Cronin (giải thưởng Nobel về Vật lý) và Alan Watson (viện sĩ Hoàng gia Anh) đều đã vài lần đến Việt Namtrực tiếp giúp đỡ nhóm Việt Nam . Trong báo cáo tại Hội nghị ICRC 2007 vừa qua, giáo sư A. Watson đã trình chiếu danh sách 17 nước tham gia thí nghiện Auger, trong đó có Việt Nam, với lời cảm ơn tất cả các thành viên Dự án. Trên tinh thần động viên giới khoa học trẻ của các nước đang phát triển như Việt Nam tích cực tham gia nghiên cứu khoa học cơ bản tầm cao, các nhà lãnh đạo của Auger đã công nhận Phòng thí nghiệm VATLY cùng 6 thành viên của nhóm Việt Nam là đồng tác giả trong những công bố đầu tiên hết sức quan trọng của Tập thể khoa học Auger kể từ năm 2004 đến nay. Đây là một bước thành công đầu tiên đầy khích lệ đối với các nhà khoa học Việt Nam , đặc biệt là những đồng nghiệp vật lý trẻ tuổi. Thí nghiệm Pierre Auger đang mở ra một chân trời mới của những phát minh bất ngờ đầy thú vị về vật lý thiên văn và vũ trụ học trong mười năm sắp tới.
Tài liệu tham khảo:
(1) A. Watson, Báo cáo tổng quan tại Hội nghị quốc tế ICRC 2007, Meridia, Mehico.
(2) V. V. Thuận: Dự án quốc tế Pierre Auger và PTN Vật lý tia vũ trụ ở Việt Nam . Tạp chí Vật lý ngày nay, tập 15, số 1, tháng 2 - 2004.
(3) V. V. Thuận: Pierre Dariulat - nhà vật lý phiêu du, Khoa học & nhân văn. NXB KH&KT 2007, tr 43.
