Lần cuối cùng giải Nobel Vật lý chỉ được trao cho một người là vào năm 1992.
Năm nay, nó đã được trao cho một mình Francis Halzen, vì một ý tưởng điên rồ từ 38 năm trước:
Biến khối băng 1 km khối ở Nam Cực thành siêu kính viễn vọng để thu thập các hạt bí ẩn từ sâu thẳm vũ trụ!
Vấn đề là ông ấy làm được, ảnh kèm post này, chính là trạm IceCube – thứ mà Francis Halzen đã xây dựng.
Sau này, ông thẳng thắn nói: “Tôi đoán chắc những người khác cũng đã nghĩ đến ý tưởng tương tự rồi bỏ cuộc. Nếu lúc đó tôi không hoàn toàn thiếu hiểu biết về các đặc tính quang học của băng tự nhiên, có lẽ tôi cũng đã bỏ cuộc rồi.”
“BÓNG MA” NEUTRINO
Hãy làm quen với hạt neutrino: không có điện tích, khối lượng gần như bằng không và tương tác rất ít với vật chất. Nó được gọi là “bóng ma”.
Tại sao các nhà khoa học lại kiên trì tìm kiếm nó? Bởi vì neutrino là những “sứ giả” hoàn hảo nhất trong vũ trụ.
Khác với ánh sáng và tia vũ trụ, neutrino không bị ảnh hưởng bởi từ trường và di chuyển theo đường thẳng tuyệt đối; nó có khả năng xuyên thấu cực mạnh và không bị cản trở bởi bất kỳ đám mây bụi hay bức xạ nào.
Ngay cả ở rìa của một hố đen siêu khối lượng sâu trong vũ trụ, miễn là các neutrino năng lượng cao được tạo ra, chúng có thể di chuyển hàng trăm triệu năm ánh sáng theo đường thẳng, mang thông tin ban đầu về các sự kiện vũ trụ cực đoan đến Trái đất.
Nếu nhân loại có thể thu giữ những neutrino năng lượng cao này, điều đó sẽ giống như có “khả năng nhìn xuyên thấu” vũ trụ, cho phép nhân loại thực hiện “chụp CT” vũ trụ.
Tia vũ trụ bị lệch hướng bởi từ trường, tia gamma bị chặn bởi bụi, nhưng neutrino di chuyển theo đường thẳng đến Trái đất.
CATCH ME IF YOU CAN
Neutrino không hề hiếm, ngay lúc này, khoảng 65 tỷ neutrino từ mặt trời đang xuyên qua móng tay của bạn.
Nhưng do đặc tính vật lý của nó, hiếm có máy dò nào bắt được neutrino. Đa số các neutrino sẽ đi thẳng qua máy dò. Nếu số lượng neutrino đủ lớn, và mục tiêu (môi trường dò) mà chúng ta chuẩn bị đủ dày và đặc, thì luôn sẽ có một vài neutrino “va chạm” vào hạt nhân mục tiêu.
Để thu thập đủ số lượng các vụ va chạm này, thiết bị dò phải có kích thước khổng lồ đến mức phi lý.
Khi các neutrino năng lượng cao va chạm mạnh trong một môi trường, chúng tạo ra các hạt mang điện tích (hạt muon chẳng hạn).
Tốc độ di chuyển của các hạt mang điện này trong môi trường vượt quá tốc độ ánh sáng (trong môi trường đó), do đó tạo ra hiện tượng quang học tương tự như “tiếng nổ siêu âm” – bức xạ Cherenkov, phát ra ánh sáng xanh nhạt.
Nếu chúng ta đặt đủ số lượng cảm biến quang học đủ nhạy trong môi trường cực tối để thu nhận những ánh sáng xanh này, chúng ta có thể suy ra hướng mà các neutrino đến từ đó.
FROM RUSSIA WITH LOVE
Ban đầu, các nhà khoa học muốn sử dụng nước biển làm môi trường. Tuy nhiên, hiện tượng phát quang sinh học ở đáy biển sâu (như ở sứa) và các vật liệu phóng xạ tự nhiên sẽ tạo ra rất nhiều nhiễu.
Vào những năm 1980, trong cuộc chạy đua nghiên cứu tia vũ trụ, các nhà khoa học Liên Xô lên kế hoạch sử dụng máy thu sóng vô tuyến để thu tín hiệu neutrino ở vùng biển Nam Cực.
Một ý tưởng tuyệt vời bất chợt lóe lên trong đầu Halzen: Tại sao phải tốn công sức như vậy trên biển? Sao không dùng băng Nam Cực?
Lớp băng Nam Cực có những lợi thế độc đáo:
– Đủ lớn : Nơi đây có những tảng băng tự nhiên trải dài vô tận, hoàn toàn đáp ứng được nhu cầu chế tạo một máy siêu thăm dò.
– Đủ tối và tinh khiết : đáy của lớp băng hoàn toàn tối đen, không có sinh vật phát quang sinh học và không có dòng hải lưu phức tạp nào làm xáo trộn nó.
– Tính ổn định tuyệt đối của chất rắn : Nếu bạn đông lạnh các cảm biến trong đá, chúng sẽ giữ nguyên trạng thái bất động hoàn toàn mãi mãi, điều này rất quan trọng để tính toán chính xác quỹ đạo của các hạt.
Năm 1988, Halzen và đồng nghiệp John G. Learned đã chính thức đề xuất ý tưởng xây dựng một đài quan sát neutrino dưới lớp băng Nam Cực.
CỤC BĂNG ĐÁ 1 TỈ TẤN
Năm 1993, nhóm của Halzen bắt đầu những nỗ lực ban đầu tại Nam Cực (Dự án AMANDA).
Ban đầu, họ gặp phải một trở ngại lớn: lớp băng nông chứa đầy bọt khí, ngăn cản ánh sáng xuyên qua. Nhưng họ không bỏ cuộc. Các nhà nghiên cứu về sông băng chỉ ra rằng càng đào sâu, áp lực càng lớn sẽ đẩy các bọt khí vào trong cấu trúc tinh thể của băng.
Quả nhiên, khi họ khoan xuống độ sâu 1400 mét, một điều kỳ diệu đã xảy ra—lớp băng ở đây cực kỳ tinh khiết và trong suốt. Những tia sáng xanh do va chạm neutrino tạo ra có thể xuyên qua hàng trăm mét băng mà không gặp bất kỳ trở ngại nào!
Với sự hỗ trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF), việc xây dựng IceCube chính thức bắt đầu vào năm 2004. Đây là một kỳ tích kỹ thuật.
Các kỹ sư đã sử dụng máy khoan nước nóng áp suất cao để làm tan chảy các giếng thẳng đứng, một số giếng sâu hơn hai ki-lô-mét, vào các cánh đồng băng giá ở Nam Cực.
Sau khi khoan xong mỗi giếng, họ phải chạy đua với thời gian để thả một sợi cáp siêu dài, được phủ đầy các cảm biến quang học, xuống đáy giếng trước khi nước đóng băng trở lại.
Họ đã bố trí tổng cộng 86 sợi cáp như vậy; và có tới 5.160 cảm biến hình cầu được treo trên các sợi cáp này.
Những sợi cáp này được bố trí theo một mạng lưới hình lục giác khổng lồ, bao phủ lớp băng ở độ sâu từ 1.450 đến 2.450 mét. Bằng cách này, các nhà khoa học đã xác định được một khối băng nguyên khối có thể tích một km khối và trọng lượng một tỷ tấn bên trong lớp băng Nam Cực, được gọi là “Khối Băng” (IceCube).
Năm 2011, khi sợi cáp cuối cùng được lắp đặt, “kính viễn vọng” lớn nhất Trái đất đã chính thức hoàn thành.
KHAI MỎ DỮ LIỆU
Việc chế tạo một kính viễn vọng tốt chỉ là bước khởi đầu; thách thức thực sự là xác định các neutrino vũ trụ từ dữ liệu thu được.
Tia vũ trụ xuyên qua bầu khí quyển phía trên Nam Cực, với hơn 100 triệu hạt xâm nhập vào băng mỗi ngày và được ghi nhận bởi các cảm biến.
Các hạt neutrino cũng được tạo ra trong khí quyển Trái Đất. IceCube ghi nhận khoảng 100.000 hạt neutrino mỗi năm, phần lớn trong số đó được tạo ra trên Trái đất.
Về mặt lý thuyết, chỉ có khoảng 100 trong số neutrino này thực sự đến từ sâu trong vũ trụ mỗi năm.
Năm 2013, một bước đột phá lịch sử đã xảy ra!
Nhóm nghiên cứu đã xem xét dữ liệu trong hai năm để tìm kiếm một loại neutrino có năng lượng cao hơn nữa và phát hiện hai sự kiện có năng lượng vượt quá 1 PeV, cụ thể là 1,04 PeV và 1,14 PeV. Đây là lần đầu tiên các neutrino vật lý thiên văn năng lượng cao từ bên ngoài hệ mặt trời được phát hiện một cách chắc chắn.
Cuộc săn lùng giữa các vì sao kéo dài hàng thập kỷ này cuối cùng đã kết thúc.
Sau hai sự kiện này và điều chỉnh phương pháp phân tích, nhóm nghiên cứu đã xác định được 28 neutrino vũ trụ năng lượng cao trong cùng một tập dữ liệu. Năm 2014, độ tin cậy thống kê đạt 5,7σ, loại trừ giả thuyết chúng nguồn gốc từ Trái Đất.
THÀNH TỰU
Vào ngày 22 tháng 9 năm 2017, IceCube đã thu được một neutrino có năng lượng khoảng 290 TeV, và chỉ trong vòng một phút, một tín hiệu thông báo đã được gửi đến toàn thế giới.
Các kính viễn vọng trên khắp thế giới ngay lập tức tập trung vào tọa độ mà IceCude phát hiện, kết quả thậtđấm tượng: có một blazar (TXS 0506+056) đang phun trào dữ dội — một thiên hà hoạt động với một lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm!
Đây là lần đầu tiên các neutrino năng lượng cao được liên kết với một nguồn gốc vũ trụ cụ thể.
Vào năm 2022, IceCube đã phát hiện 79 hạt neutrino từ hướng của thiên hà hoạt động NGC 1068. Lỗ đen siêu khối lượng ở đó được bao phủ bởi lớp khí và bụi dày đặc, do đó các tia gamma được phát hiện rất yếu, nhưng các hạt neutrino vẫn hiện diện.
Vào năm 2023, IceCube đã lần đầu tiên quan sát được dải ngân hà của chính chúng ta bằng neutrino.
Lần này, máy học đóng vai trò then chốt. Các cộng tác viên tại Đại học Kỹ thuật Dortmund ở Đức đã phát triển một phương pháp máy học được thiết kế đặc biệt để xác định các sự kiện “chuỗi” phát sinh từ va chạm neutrino và tái tạo hướng cũng như năng lượng của chúng.
Sau khi áp dụng phương pháp mới, số lượng sự kiện neutrino được giữ lại đã tăng hơn một bậc độ lớn, và độ nhạy tìm kiếm được cải thiện gấp ba lần so với mức ban đầu. Nhóm nghiên cứu đã ghép nối lại dải Ngân hà bằng cách sử dụng khoảng 60.000 neutrino từ dữ liệu thu thập trong 10 năm.
Đầu năm nay, IceCube đã sử dụng dữ liệu thu thập trong 12 năm để đẩy tín hiệu của Dải Ngân hà lên mức tin cậy 5,7σ. Nhờ đó, Dải Ngân hà trở thành nguồn neutrino năng lượng cao đầu tiên vượt qua ngưỡng phát hiện 5σ.
Ngay trước khi công bố giải Nobel năm 2026, nhóm nghiên cứu IceCube đã công bố một kết quả đột phá: họ cuối cùng đã quan sát rõ ràng được ánh sáng neutrino năng lượng cao phát ra từ chính Dải Ngân hà! Điều này có nghĩa là cuối cùng chúng ta có thể sử dụng neutrino như một cây cọ để phác họa một diện mạo hoàn toàn mới cho Dải Ngân hà.
HỌC MÁY
IceCube không thực sự nhìn thấy neutrino, nó chỉ bắt được cái bóng của nó.
Chuỗi sự kiện có 5 bước: neutrino di chuyển → tương tác với băng → hạt tích điện thứ cấp → ánh sáng Cherenkov → cảm biến DOM
Hàng nghìn Digital Optical Modules (DOM) của IceCube ghi nhận thời điểm và cường độ photon Cherenkov. Mỗi giây có hàng nghìn dòng dữ liệu thô đổ về, định dạng vector 5 chiều:
(x, y, z của sensor, thời gian photon, số photon/điện tích)
Từ các dữ liệu này, phần mềm phải giải bài toán ngược: photon pattern → loại sự kiện → vị trí → hướng → năng lượng → xác suất đó là neutrino
Quá trình này là một ngành nhỏ (nhưng khó) trong học máy: event reconstruction.
Trong những năm đầu, nhóm IceCube chủ yếu dùng mô phỏng vật lý + maximum-likelihood reconstruction.
Với sự bùng nổ của học máy, việc xử lý dữ liệu dần dần chuyển qua áp dụng CNN, GNN, Normalizing Flow,…
Và cuối cùng, năm 2025, IceCube cũng ra nhập trend của học máy: Transformers.
Phần mềm IceTray bản hiện tại với lõi C++ bọc ngoài bởi Python, cùng với TensorFlow, GraphNeT và tất nhiên CUDA. Mã nguồn của hệ thống này các bạn có thể tìm thấy nó trên … GitHub.
VĨ THANH
Câu chuyện của Francis Halzen và IceCube cho ta một hình dung về tương lai loài người với AI: có thể trí tuệ nhân tạo sẽ là thành phần cốt lõi của mọi hệ thống, nhưng những công trình vĩ đại cần một mơ ước viển vông mà có lẽ không thuật toán học máy nào mô phỏng được.
Bình luận mới