XENONnT lần đầu quan sát neutrino Mặt Trời ở ngưỡng năng lượng kỷ lục 17 keV

Một thí nghiệm vốn được thiết kế để săn tìm vật chất tối vừa trở thành cửa sổ mới quan sát các phản ứng bên trong Mặt Trời. Tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Gran Sasso ở Italy, Hợp tác XENON thông báo XENONnT đã lần đầu quan sát neutrino Mặt Trời năng lượng thấp tán xạ trên electron.

Kết quả đưa giới hạn quan sát trực tiếp neutrino xuống khoảng 17 keV, mức năng lượng thấp nhất từng được báo cáo cho neutrino. Tín hiệu được cho là chi phối bởi neutrino pp—loại neutrino sinh ra trong phản ứng nhiệt hạch proton–proton cung cấp phần lớn năng lượng cho Mặt Trời. 22

Một neutrino để lại dấu vết như thế nào?

Neutrino gần như không tương tác với vật chất. Tuy nhiên, trong một số rất ít trường hợp, neutrino từ Mặt Trời có thể va chạm đàn hồi với một electron bên trong xenon lỏng. Electron bị đánh bật sẽ nhận một lượng năng lượng rất nhỏ, tạo ra hai tín hiệu mà XENONnT có thể đo được:

• ánh sáng nhấp nháy phát ra ngay trong xenon lỏng;
• tín hiệu điện quang xuất hiện khi các electron ion hóa được kéo lên pha khí.

Việc kết hợp hai tín hiệu này cho phép các nhà nghiên cứu tái dựng năng lượng và vị trí của từng sự kiện. Thay vì cố xác định một “cú va chạm neutrino” riêng lẻ, nhóm nghiên cứu tìm kiếm hình dạng thống kê dự kiến của cả một tập hợp các electron bị giật lùi, rồi so sánh với những nguồn phông phóng xạ và phông do thiết bị tạo ra.

Cần phân biệt rằng mốc khoảng 17 keV nói về mức năng lượng neutrino mà phép đo có thể tiếp cận, không có nghĩa mỗi electron đều nhận nguyên vẹn 17 keV. Theo thông báo của Hợp tác XENON, đây là lần đầu neutrino Mặt Trời năng lượng thấp được quan sát theo cách này, với tín hiệu chủ yếu đến từ neutrino pp. 22

Neutrino pp là gì và vì sao chúng quan trọng?

Neutrino pp sinh ra ở bước đầu tiên của chuỗi phản ứng nhiệt hạch proton–proton trong Mặt Trời:

[
p+p\rightarrow d+e^++\nu_e
]

Phản ứng này khởi động quá trình biến hydro thành heli. Vì chuỗi proton–proton là nguồn cung cấp phần lớn năng lượng của Mặt Trời, neutrino pp là những “sứ giả” trực tiếp của các phản ứng đang diễn ra trong lõi sao.

Điểm đặc biệt nằm ở chỗ ánh sáng phải mất một thời gian rất dài để truyền năng lượng từ lõi ra bề mặt Mặt Trời rồi mới tới Trái Đất. Neutrino, ngược lại, gần như thoát ra ngay khỏi vùng sinh ra chúng. Vì vậy, đo neutrino pp giúp kiểm tra trực tiếp hơn quá trình nhiệt hạch đang vận hành bên trong Mặt Trời.

Vì sao XENONnT có thể phát hiện tín hiệu mong manh này?

Trung tâm của XENONnT là một máy dò thời gian chiếu hai pha, với mục tiêu hoạt động chứa 5,9 tấn xenon lỏng. Khối lượng lớn làm tăng xác suất xảy ra các tương tác hiếm, còn việc đo đồng thời ánh sáng nhấp nháy và ion hóa giúp xác định năng lượng cũng như vị trí của sự kiện. 5

Thách thức lớn nhất không chỉ là neutrino tương tác cực hiếm, mà còn là phông nền. Radon và các sản phẩm phân rã của nó có thể tạo ra những electron bị giật lùi giống với tín hiệu do neutrino gây ra.

Để xử lý vấn đề này, Hợp tác XENON đã phát triển hệ thống chưng cất lạnh trực tuyến, liên tục loại radon khỏi xenon. Hoạt độ của (^{222}\mathrm{Rn}) trong vùng hoạt động được hạ xuống khoảng (0,90\ \mu\mathrm{Bq/kg}), mức mà phông radon đã tương đương với phông không thể tránh khỏi do neutrino Mặt Trời. 1819

Việc đặt máy dò ở độ sâu lớn dưới núi Gran Sasso cũng làm giảm các sự kiện do tia vũ trụ gây ra. Nhờ môi trường có phông cực thấp, nhóm nghiên cứu có thể dùng phép khớp phổ để tìm hình dạng tín hiệu neutrino, thay vì để tín hiệu nhỏ bé này chìm trong một lượng lớn sự kiện giả. 22

Bước tiếp theo sau dấu hiệu neutrino boron-8 năm 2024

Kết quả mới sử dụng một kênh tương tác khác với phép đo được XENONnT công bố năm 2024. Khi đó, thí nghiệm tìm neutrino (^{8}\mathrm{B}) thông qua tán xạ đàn hồi kết hợp neutrino–hạt nhân, thường gọi là CEνNS. Trong quá trình này, neutrino truyền động lượng cho toàn bộ hạt nhân xenon, tạo ra một hạt nhân bị giật lùi.

Phân tích năm 2024 cho kết quả có ý nghĩa thống kê 2,73σ—một dấu hiệu đáng chú ý nhưng chưa phải phát hiện ở ngưỡng 5σ. 23

Phép đo mới lại dựa trên tán xạ neutrino–electron. Hai kết quả cho thấy cùng một máy dò có thể nhận diện hai dạng dấu vết khác nhau của neutrino Mặt Trời:

• electron bị giật lùi do tán xạ trên electron, trong đó neutrino pp năng lượng thấp chiếm ưu thế;
• hạt nhân bị giật lùi do CEνNS, như trong dấu hiệu neutrino boron-8.

Sự khác biệt này quan trọng vì mỗi kênh mở ra một vùng năng lượng và một góc nhìn khác nhau về vật lý Mặt Trời.

“Màn sương neutrino” có ý nghĩa gì với việc săn vật chất tối?

Đối với các thí nghiệm vật chất tối, neutrino Mặt Trời vừa là tín hiệu khoa học có giá trị, vừa là nguồn nhiễu khó tránh. Những cú giật lùi do neutrino tạo ra có thể trông giống tương tác của WIMP—một ứng viên vật chất tối tương tác yếu. Không thể giải quyết phông này chỉ bằng cách dựng thêm lớp che chắn, bởi neutrino xuyên qua vật chất gần như không bị cản trở.

Nguồn phông không thể loại bỏ ấy thường được gọi là “màn sương neutrino”. Đây không phải một giới hạn tuyệt đối. Hình dạng phổ năng lượng, việc so sánh nhiều vật liệu bia, khả năng xác định hướng và hiểu chính xác hơn dòng neutrino Mặt Trời vẫn có thể giúp phân biệt thống kê tín hiệu WIMP.

Tuy nhiên, khi độ nhạy tăng lên, các cải thiện sẽ ngày càng khó khăn hơn và bất định hệ thống trở nên quan trọng hơn. Dấu hiệu CEνNS năm 2024 của XENONnT là một trong những ví dụ trực tiếp đầu tiên cho thấy phông neutrino hạt nhân bắt đầu hiện rõ trong máy dò vật chất tối. 12

XLZD sẽ mở rộng phép đo ra sao?

XLZD đang được thiết kế như một đài quan sát xenon lỏng thế hệ mới. Thiết kế cơ sở dự kiến có mục tiêu hoạt động khoảng 60 tấn, với khả năng tăng lên 80 tấn. Lượng xenon hoạt động này lớn hơn XENONnT khoảng một bậc độ lớn, qua đó tăng thời gian quan sát hiệu dụng cho cả việc tìm WIMP lẫn nghiên cứu neutrino. 3235

Khối lượng lớn hơn không chỉ đồng nghĩa với nhiều sự kiện hơn. XLZD có thể đo chính xác hơn dòng và phổ năng lượng của neutrino pp, đồng thời kiểm tra xác suất neutrino electron tồn tại khi chúng truyền từ Mặt Trời tới Trái Đất. Song song với đó, đài quan sát được thiết kế để thăm dò vùng mà tín hiệu WIMP tiến sát phông “màn sương neutrino”. 3239

Bài học lớn từ XENONnT là tìm kiếm vật chất tối và thiên văn neutrino Mặt Trời không còn là hai hướng nghiên cứu tách biệt. Độ tinh khiết cao, phông thấp và công nghệ phát hiện đủ nhạy để tìm một sự kiện WIMP hiếm hoi cũng có thể hé lộ những dấu vết gần như vô hình của phản ứng nhiệt hạch trong lõi Mặt Trời.