Geoneutrino — 'bóng ma' dưới lòng đất đang vẽ nên bản đồ nhiệt của Trái Đất

Sâu 2 km dưới lòng đất Canada, một quả cầu acrylic khổng lồ được bao quanh bởi gần 10.000 cảm biến ánh sáng đang lặng lẽ săn lùng những hạt khó nắm bắt bậc nhất trong vật lý hiện đại. Chúng có thể tiết lộ bí mật về vùng lõi Trái Đất mà con người không bao giờ chạm tới được.

Trong một phòng thí nghiệm nằm sâu 2 km dưới mặt đất, chiếc cần cẩu hạ Matt Depatie — chuyên gia kỹ thuật máy dò — qua một cửa sập xuống khoang trắng xóa chứa khoảng 7.000 tấn nước siêu tinh khiết. Dưới ánh đèn bảo trì, khối nước phát sáng xanh như nước rửa kính. "Chạm mặt nước rồi," Depatie nói qua bộ đàm khi bước lên chiếc bè cao su đang chờ bên dưới.

Bình thường, khoang này là một trong những nơi tối nhất trên Trái Đất. Nhưng hôm nay nó được chiếu sáng để bảo trì, cho chúng ta cơ hội hiếm hoi nhìn vào bên trong. Đây là thí nghiệm neutrino SNO+, nằm sâu trong mỏ Creighton thuộc Snolab — phòng thí nghiệm vật lý dưới lòng đất ở Sudbury, Canada.

Khoang chứa nước siêu tinh khiết của thí nghiệm SNO+

Cuộc săn đuổi những hạt "bóng ma"

Neutrino là loại hạt phổ biến nhất trong số các hạt có khối lượng. Nhưng khối lượng ấy cực nhỏ — chỉ bằng một phần triệu khối lượng electron. Với trọng lượng gần như không đáng kể và điện tích trung hòa, neutrino hầu như không bao giờ tương tác với vật chất khác.

Mỗi giây, hàng nghìn tỷ neutrino — chủ yếu sinh ra từ Mặt Trời — xuyên qua cơ thể chúng ta. Vậy mà sau nhiều thập kỷ săn lùng bằng những cỗ máy như SNO+, các nhà nghiên cứu mới chỉ ghi nhận được vài trăm nghìn tia lóe sáng quý giá.

Thậm chí còn khó nắm bắt hơn là geoneutrino — hạt sinh ra từ chính lòng Trái Đất. Sau nhiều thập kỷ tìm kiếm, giới khoa học mới phát hiện được vài trăm hạt như vậy.

Geoneutrino được tạo ra trong các quá trình làm nóng lõi hành tinh. Nguồn nhiệt này đóng vai trò then chốt trong dòng chảy của đá trong lớp phủ — thứ định hình mọi thứ từ kiến tạo mảng đến từ trường Trái Đất. Nhiệt đến từ hai nguồn chính: phần nhiệt còn sót lại từ thời hình thành hành tinh, và nhiệt sinh ra do sự phân rã của uranium, thorium và potassium trong đá ở lớp phủ và lớp vỏ.

Không có nguồn thứ hai, Trái Đất đã nguội lạnh từ lâu và trở thành một hành tinh chết về mặt kiến tạo.

Thí nghiệm SNO+ nằm sâu dưới 2 km đá, được che chắn khỏi tia vũ trụ

Đo trực tiếp "nhịp tim" của hành tinh

Bằng cách đếm geoneutrino, các nhà vật lý có thể đo trực tiếp lượng nguyên tố sinh nhiệt quan trọng của Trái Đất.

"Đây là thứ duy nhất chúng tôi làm tập trung vào Trái Đất," Ryan Bayes, nhà vật lý thiên văn hạt tại Đại học Queen ở Ontario, thành viên nhóm SNO+, chia sẻ. "Mọi thứ khác chúng tôi nghiên cứu đều hướng về những gì nhận được từ nơi khác trong vũ trụ."

Lần đầu tiên phát hiện geoneutrino là vào năm 2005, bởi thiết bị Kamland tại Nhật Bản. Năm 2009, máy dò Borexino ở Ý báo cáo bắt được thêm vài chục hạt. Đến tháng 11/2025, SNO+ công bố phát hiện đầu tiên, nâng tổng số geoneutrino quan sát được lên khoảng 50%.

Điều đặc biệt ở SNO+ nằm ở vị trí của nó: đây là những geoneutrino đầu tiên được đo ở bán cầu Tây, mang lại góc nhìn mới về lõi phóng xạ của Trái Đất.

Vẫn còn nhiều bất định trong việc diễn giải kết quả, nhưng ước tính tốt nhất của các nhà nghiên cứu cho thấy mỗi địa điểm đang đo một dòng hạt khác nhau.

"Có thể đó là gợi ý đầu tiên rằng lớp phủ không đồng nhất," Mark Chen, nhà vật lý thiên văn hạt tại Đại học Queen và giám đốc nhóm SNO+, nhận định.

Hé lộ cấu trúc bí ẩn dưới lớp phủ

Các nhà địa hóa học vốn giả định rằng nguyên tố phóng xạ phân bố đều khắp lớp phủ, vì đá chảy sẽ trộn lẫn mọi thứ. Nhưng những phép đo geoneutrino ở các vị trí khác nhau có thể gợi ý điều ngược lại.

Vùng có vẻ sinh ra nhiều geoneutrino nhất nằm gần như ngay trên các khối vật chất nóng và đặc bất thường cỡ lục địa, gọi là tỉnh vận tốc cắt thấp lớn (LLSVP). Các nhà địa chấn học đã lập bản đồ hai khối này ở hai bên lõi: một dưới châu Phi, một dưới Thái Bình Dương.

"Có thể tồn tại những cấu trúc sâu trong lớp phủ mà chúng ta chưa hiểu," Chen nói. "Có thể chúng tập trung một số loại nguyên tố nhất định."

Một ngày nào đó, neutrino có thể mang lại hiểu biết mới về nguồn gốc còn bí ẩn của những cấu trúc sâu này — và rộng hơn là các quy luật trong lớp phủ vốn chi phối nhiều khía cạnh của hệ thống Trái Đất.

"Đó thực sự sẽ là cách lập bản đồ hóa học cho phần bên trong Trái Đất," William McDonough, nhà địa hóa học tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, nhận định.

Câu hỏi còn bỏ ngỏ là liệu các phép đo geoneutrino có thực sự phản ánh sự khác biệt giữa các vùng lớp phủ bên dưới mỗi thí nghiệm, hay sự chênh lệch bắt nguồn từ cách mỗi máy dò đếm hạt. Các nhà nghiên cứu đều thừa nhận độ bất định còn quá lớn để kết luận.

Máy dò Borexino ở Ý, thiết kế chủ yếu để nghiên cứu neutrino từ Mặt Trời

Thách thức từ dữ liệu địa chất

Theo Bayes, mỗi máy dò đều có độ bất định riêng, xuất phát từ quá trình phân loại phức tạp mà các nhà vật lý phải thực hiện để nhận diện geoneutrino.

"Chúng không tự xuất hiện và nói 'Xin chào, tôi là geoneutrino'," ông nói.

Các nhà khoa học phải loại bỏ tín hiệu từ những hạt có năng lượng quá cao, hạt có độ xoắn sai, và hạt dự kiến phát ra từ các lò phản ứng hạt nhân. Họ cũng phải loại bỏ geoneutrino đến từ lớp vỏ Trái Đất — với đóng góp lớn nhất đến từ khu vực trong bán kính vài trăm km quanh máy dò. Sau khi trừ đi tất cả, tín hiệu geoneutrino từ lớp phủ mới hiện ra.

Nhìn chung, dòng geoneutrino từ lớp phủ có vẻ rất cao ở Borexino và rất thấp ở Kamland, dù độ bất định lớn. Theo Chen, việc diễn giải chi tiết về địa chất cho kết quả của SNO+ vẫn đang được thực hiện, nhưng đến nay giới khoa học nhìn thấy một lớp phủ "ở mức trung bình" bên dưới Canada.

Một thách thức riêng với SNO+ là hiểu được neutrino đến từ môi trường xung quanh máy dò, bao gồm một bồn địa hình thành cách đây 1,8 tỷ năm do một thiên thạch khổng lồ va chạm.

"Có rất nhiều ẩn số trong khu vực địa chất này," Virginia Strati, nhà nghiên cứu tại Đại học Ferrara (Ý), người giúp xây dựng mô hình phóng xạ địa phương cho Snolab, cho biết.

JUNO — kính viễn vọng neutrino thế hệ mới

Bất định cũng đến từ ước tính tổng lượng nguyên tố phóng xạ làm nóng lớp phủ. Dòng geoneutrino gợi ý rằng các nguyên tố này có thể đóng góp từ một tỷ lệ nhỏ đến một nửa nhiệt lượng — mức chênh lệch tương đương sản lượng của hàng chục nghìn nhà máy điện hạt nhân.

Phát hiện tại SNO+ đến vào thời điểm sôi động cho nghiên cứu geoneutrino: JUNO, một thí nghiệm neutrino khổng lồ khác đang thu thập dữ liệu tại Trung Quốc, dự kiến công bố dòng geoneutrino đầu tiên trong năm nay, bổ sung góc nhìn thứ tư và phong phú hơn hẳn.

Với hơn 20.000 tấn chất nhấp nháy lỏng (scintillator), thí nghiệm này — nằm dưới một ngọn núi ngoại ô thành phố Quảng Châu — lớn đến mức dự kiến phát hiện nhiều geoneutrino trong năm đầu tiên hơn cả tổng sản lượng của Kamland, Borexino và SNO+ cộng lại trong nhiều thập kỷ.

Máy dò JUNO 20 kiloton bắt đầu vận hành từ tháng 8/2025

Ước tính rõ ràng hơn về dòng geoneutrino tại mỗi thí nghiệm có thể đến từ dữ liệu địa chất chi tiết hơn, cũng như số lượng hạt đếm được nhiều hơn tại từng địa điểm. Tuy nhiên, McDonough cho rằng giải pháp tốt nhất là xây dựng một máy dò neutrino dưới đáy đại dương — ý tưởng ông ủng hộ suốt nhiều thập kỷ.

Máy dò như vậy sẽ nằm xa đá lục địa giàu nguyên tố phóng xạ; lớp vỏ đại dương cũng mỏng hơn và đồng nhất hơn. Bất định liên quan đến lớp vỏ giảm mạnh đến mức "bạn chỉ còn phải xử lý vùng lớp phủ thuần túy," ông nói.

Ý tưởng về máy dò đáy đại dương, ước tính tốn hàng trăm triệu USD, đến nay chưa nhận được nhiều sự hậu thuẫn từ các nhà tài trợ chính phủ. Nhưng McDonough hy vọng có thể thúc đẩy nó tại Trung Quốc — quốc gia đã bật đèn xanh cho nhiều dự án khoa học Trái Đất lớn khác.

"Rất có thể," ông nói.

Cho đến lúc đó, các nhà vật lý vẫn sẽ tiếp tục chèo thuyền đi tìm câu trả lời sâu dưới lòng đất.