Nhà khoa học tại IceCube lý giải công nghệ đoạt giải Nobel Vật lý

Juan Carlos Díaz Vélez, thành viên nhóm nghiên cứu IceCube, giải thích cách các cảm biến quang học chôn sâu dưới băng Nam Cực săn tìm neutrino năng lượng cực cao từ vũ trụ. Công trình của giáo sư Francis Halzen vừa được trao giải Nobel Vật lý 2026, mở ra hướng nghiên cứu mới về nguồn gốc của các hạt vũ trụ.

Cảm biến quang học của đài thiên văn neutrino IceCube dưới băng Nam Cực

Từ phòng thí nghiệm đến giải Nobel danh giá

Câu chuyện bắt đầu vào một buổi sáng bình thường khi Juan Carlos Díaz Vélez thức dậy lúc 5 giờ 30 và mở ngay trang web của New York Times để đọc tin tức. Điều khiến ông sửng sốt là dòng tin nóng hổi: giáo sư Francis Halzen vừa được trao giải Nobel Vật lý. Ông lập tức nhắn tin cho đồng nghiệp, nhưng phát hiện ra rằng các cộng sự ở châu Âu đã biết tin từ trước đó.

Díaz Vélez hiện làm việc tại Trung tâm Vật lý Thiên văn Hạt IceCube thuộc Đại học Wisconsin–Madison. Điều thú vị là người vừa đoạt giải Nobel chính là sếp trực tiếp của ông. Khi ông đến văn phòng, cả WIPAC tràn ngập tiếng cười và những lời chúc mừng. Cả nhóm quây quần trong phòng họp để xem buổi họp báo trực tuyến với giáo sư Halzen, người lúc đó đang dự hội nghị ở Ý.

"Chúng tôi sẽ chờ ông ấy trở về để tổ chức ăn mừng, và trong lúc chờ đợi, công việc nghiên cứu neutrino vẫn tiếp tục, bởi công việc này không bao giờ kết thúc."

Neutrino là gì và vì sao khó phát hiện?

Neutrino là các hạt hạ nguyên tử tham gia vào các phản ứng bên trong hạt nhân nguyên tử. Chúng được sinh ra từ quá trình phóng xạ trên Trái Đất, thậm chí trong dưa hấu và chuối nhờ hàm lượng kali-40, cũng như ngay trong cơ thể người. Tuy nhiên, chúng ta không hề nhận ra sự tồn tại của chúng.

Đúng như tên gọi, neutrino không mang điện tích, nên chúng có thể xuyên qua không gian theo đường thẳng mà không bị ảnh hưởng bởi từ trường. Chúng liên tục đi xuyên qua toàn bộ Trái Đất mà không tương tác với bất kỳ nguyên tử nào. Theo Díaz Vélez, neutrino từ Mặt Trời dồi dào đến mức 1 tỷ hạt đi qua móng tay cái của bạn mỗi giây.

Nhóm của Halzen không nghiên cứu những hạt neutrino thông thường đó. Họ quan tâm đến neutrino năng lượng cực cao đến từ vùng không gian sâu thẳm. Những hạt vũ trụ này có thể xuất phát từ tàn dư siêu tân tinh hoặc thậm chí từ hố đen. Từ trường cực mạnh của các hiện tượng như vậy có thể gia tốc các hạt như proton lên mức năng lượng rất cao.

Khi những hạt này va chạm với môi trường liên sao, chúng tạo ra tia gamma và neutrino. Đó là lý do neutrino được xem như "sứ giả hoàn hảo" từ các nguồn tia vũ trụ năng lượng cao. Nguồn neutrino năng lượng cao nhất mà con người từng phát hiện đến từ nhân thiên hà hoạt động, nơi chứa các hố đen siêu khối lượng.

IceCube: Cỗ máy săn hạt dưới băng Nam Cực

Một trong những điểm thú vị của dự án IceCube là cái tên trùng với nghệ sĩ rap nổi tiếng, nhưng đây là đài quan sát đặt tại Nam Cực. Công trình này sử dụng một mảng gồm 5.160 cảm biến quang học chôn sâu dưới lòng đất, bao phủ thể tích 1 km khối băng.

Theo Díaz Vélez, người từng tham gia xây dựng IceCube năm 2010, băng ở Nam Cực rất trong suốt ở độ sâu 1,5 km, cho phép các cảm biến phát hiện ánh sáng sinh ra bởi hạt hạ nguyên tử gọi là muon. Những muon này xuất hiện từ các tương tác hiếm hoi giữa neutrino và nguyên tử băng. Đài quan sát bắt đầu vận hành vào năm sau đó.

Phát hiện quan trọng đầu tiên của dự án là việc ghi nhận neutrino từ các nguồn vật lý thiên văn bên ngoài hệ Mặt Trời. Một trong những nguồn đáng chú ý nhất là TXS 0506+056, được xác định nhờ sự phối hợp với các đài quan sát khác thu thập tín hiệu tia gamma, quang học và sóng vô tuyến. Đây là một blazar năng lượng cao, một thiên hà sáng rực xoay quanh hố đen siêu khối lượng.

Các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm những vật thể có đặc điểm tương tự và xác nhận rằng lớp nguồn này có khả năng sinh ra neutrino năng lượng cao. Gần đây hơn, họ đã quan sát được dải Ngân Hà như một nguồn neutrino khuếch tán.

Đo lường hạt bằng siêu máy tính toàn cầu

Ngoài lĩnh vực thiên văn, IceCube còn đóng góp đáng kể vào hiểu biết về bản chất và hành vi của neutrino. Có ba loại neutrino đã biết, và những người đoạt giải Nobel Vật lý năm ngoái đã phát hiện rằng các hạt này có thể biến đổi từ loại này sang loại khác khi di chuyển. IceCube đã cho phép đo lường hiện tượng này ngày càng chính xác.

Díaz Vélez tập trung vào lĩnh vực tia vũ trụ, bao gồm proton và hạt nhân của các nguyên tử nặng hơn, chiếm tỷ lệ rất cao trong dữ liệu của dự án. Ông ví việc phát hiện neutrino như "mò kim đáy bể". Cụ thể, ứng với mỗi neutrino mà IceCube ghi nhận được, có hơn một triệu muon sinh ra từ tia vũ trụ cũng bị phát hiện.

Với vai trò điều phối sản phẩm của nhóm hợp tác IceCube, ông giám sát việc xử lý dữ liệu thực nghiệm và tạo ra các mô phỏng. Công việc này bao gồm tính toán hướng đến, năng lượng và loại hạt được phát hiện mỗi 2 mili giây. Nhóm cũng cần mô phỏng tia vũ trụ và neutrino với tốc độ tương đương.

"Cả hai nhiệm vụ này đều đòi hỏi các mạng máy tính hiệu năng cao phân tán khắp thế giới, với tổng cộng khoảng 10.000 lõi CPU và 1.000 GPU."

Nỗ lực của tập thể đằng sau một giải thưởng

Dù dự án IceCube đặt tại Nam Cực và có trụ sở chính ở Wisconsin, đây là nỗ lực hợp tác quốc tế của 450 người tại 58 tổ chức ở 14 quốc gia. Nhiều người tham gia là học viên cao học và nghiên cứu sinh tiến sĩ. Mặc dù giải thưởng chỉ mang tên một nhà khoa học, đằng sau cái tên đó là công sức của hàng chục đồng nghiệp.

Díaz Vélez nhận xét giáo sư Francis Halzen là một nhân vật lớn và là người lãnh đạo tài ba, nhưng cũng rất thân thiện và hào phóng. Ông nói rằng cả nhóm thường nhìn Halzen như một đồng nghiệp hơn là một ông chủ. Chính niềm đam mê và sự tận tụy của ông là yếu tố then chốt giúp thí nghiệm này thành công.

Đối với độc giả quan tâm đến công nghệ và khoa học, câu chuyện IceCube cho thấy sức mạnh của hạ tầng tính toán phân tán, cảm biến quang học độ chính xác cao và hợp tác quốc tế quy mô lớn. Đây cũng là minh chứng cho việc dữ liệu khoa học ngày càng phụ thuộc vào các hệ thống máy tính hiệu năng cao và thuật toán mô phỏng tiên tiến.