Biển Địa Trung Hải, thường được ca ngợi với những bờ biển ngập nắng và mặt nước trong xanh, lại ẩn chứa một bí mật trong bóng tối dày đặc của nó.
Ở độ sâu ba cây số rưỡi dưới làn sóng ngoài khơi bờ biển Sicily, nước đen kịt, gần như đóng băng, và có áp suất đủ mạnh để làm bẹp một chiếc tàu ngầm như thể nó chỉ là một lon bia rỗng. Đó là một nơi tĩnh lặng tuyệt đối, không bị xáo trộn bởi những biến động hỗn loạn của thế giới trên mặt đất. Tuy nhiên, trong vực sâu này, có thứ gì đó đang quan sát.
Hàng ngàn quả cầu thủy tinh, được xâu chuỗi như những viên ngọc trai khổng lồ trên những sợi dây cáp thẳng đứng nhô lên từ đáy biển, lơ lửng trong bóng tối. Chúng đang lắng nghe tiếng thì thầm của vũ trụ để cất lên những bí mật của nó.
Vào một ngày thứ Ba yên tĩnh tháng Hai năm 2023, sự tĩnh lặng bị phá vỡ bởi một tia sáng xanh ma quái chỉ kéo dài vài nano giây. Đó là một tín hiệu đã di chuyển hàng tỷ năm ánh sáng, xuyên qua các thiên hà, các ngôi sao và toàn bộ khối lượng của Trái đất trước khi kết thúc hành trình của nó ở đây, trong các cảm biến của một cỗ máy thậm chí còn chưa được hoàn thiện.
Ánh sáng lóe lên đó là dấu vết của một neutrino mang năng lượng 220 Peta-electronvolt (PeV), một con số lớn đến mức gần như phi lý đối với một hạt hạ nguyên tử đơn lẻ. Đó là neutrino có năng lượng cao nhất từng được nhân loại phát hiện, một sứ giả từ một thảm họa vũ trụ với sức mạnh không thể tưởng tượng nổi.
Nhưng điều kỳ diệu thực sự không chỉ là hạt đó; mà là cỗ máy đã thu giữ nó.
Ban biên tập của tạp chí Emerge thuộc Decrypt đã chọn Sáng kiến KM3NeT (Kính viễn vọng neutrino khối lập phương) là Dự án của năm 2025, bởi vì nó đại diện cho một sự thay đổi cơ bản trong mối quan hệ của chúng ta với Cosmos.
Trong khi thiên văn học truyền thống đã dành hàng thế kỷ để hoàn thiện cách chúng ta quan sát vũ trụ, KM3NeT cho phép chúng ta cảm nhận được tận cùng lõi của nó, phát hiện các hạt xuyên qua vật chất như thể vật chất không hề tồn tại. Chúng tôi lựa chọn sáng kiến này không chỉ vì sự xác nhận mang tính lịch sử về sự kiện 220 PeV được công bố năm nay, mà còn vì sự táo bạo trong kỹ thuật chế tạo của nó.
Bằng cách biến vực sâu Địa Trung Hải thành phòng thí nghiệm vật lý năng lượng cao lớn nhất thế giới, KM3NeT đã chứng minh rằng chúng ta có thể chế tạo các thiết bị chính xác trong những môi trường khắc nghiệt nhất trên Trái đất để giải đáp những câu hỏi khó nắm bắt nhất của thiên hà. Đây là một thắng lợi của sự hợp tác quốc tế, sự kiên cường và tầm nhìn, mang lại những khám phá khoa học thay đổi thế giới ngay cả trước khi công trình hoàn thành.
Tại sao cỗ máy này lại cần thiết? Trước hết, người ta cần hiểu nghịch lý của neutrino. Thường được gọi là "hạt ma", neutrino là loại hạt phong phú thứ hai trong vũ trụ, chỉ đứng sau photon ánh sáng.
Chúng được tạo ra bởi các phản ứng hạt nhân—trong lõi mặt trời của chúng ta, trong vụ nổ của những ngôi sao sắp chết, và trong những luồng phản lực dữ dội của các lỗ đen. Hàng nghìn tỷ hạt đang đi xuyên qua cơ thể bạn ngay lúc này. Bạn không thể cảm nhận được chúng, và chúng cũng không cảm nhận được bạn.
Các hạt neutrino hầu như không có khối lượng và không có điện tích, nghĩa là chúng không tương tác với trường điện từ. Trong khi một photon ánh sáng có thể bị chặn bởi một tờ giấy hoặc một bức tường, một hạt neutrino có thể xuyên qua một Block chì dày một năm ánh sáng mà không hề bị chậm lại. Điều này khiến chúng trở thành những sứ giả vũ trụ hoàn hảo.
Không giống như ánh sáng, có thể bị chặn bởi các đám mây bụi, hoặc các hạt mang điện, bị bẻ cong bởi từ trường, neutrino di chuyển theo đường thẳng từ nguồn phát đến chúng ta. Nếu chúng ta có thể bắt được chúng, thì chúng ta có thể hướng thẳng về phía các "động cơ" của vũ trụ—siêu tân tinh, blazar và các sao Neutron va chạm—và xem chính xác những gì đang xảy ra bên trong chúng.
Nhưng điểm mạnh lớn nhất của chúng cũng chính là điểm yếu lớn nhất: vì chúng không tương tác với bất cứ thứ gì, nên gần như không thể bắt được chúng. Để phát hiện dù chỉ một vài hạt, bạn cần một mục tiêu có kích thước khổng lồ—một "lưới" lớn đến mức chỉ dựa trên quy luật xác suất, một neutrino cuối cùng sẽ va chạm với một ATOM bên trong nó. Bạn cũng cần bóng tối hoàn toàn để nhìn thấy tia lửa yếu ớt mà vụ va chạm tạo ra. Việc xây dựng một máy dò có kích thước như vậy trên đất liền là quá tốn kém và bất khả thi về mặt kỹ thuật.
Vì vậy, các nhà vật lý của KM3NeT đã quyết định mượn một thiết bị dò tìm mà thiên nhiên đã tạo ra sẵn: đại dương.
Nguyên lý của KM3NeT rất đơn giản nhưng lại tàn khốc trong quá trình thực hiện. Khi một neutrino năng lượng cao va chạm với hạt nhân nguyên tử trong nước, nó sẽ phá hủy hạt nhân và tạo ra một loạt các hạt mang điện tích thứ cấp, chẳng hạn như muon.
Những hạt này lao đi trong nước nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong cùng Trung bình đó (mặc dù vẫn chậm hơn tốc độ ánh sáng trong chân không). Việc phá vỡ "rào cản ánh sáng" này tạo ra một sóng xung kích ánh sáng xanh lam được gọi là bức xạ Cherenkov — về cơ bản là tương đương về mặt quang học với một vụ nổ siêu âm.
Cơ sở hạ tầng KM3NeT được thiết kế để thu lại ánh sáng xanh thoáng qua này. "Kính viễn vọng" không sử dụng thấu kính hay gương. Thay vào đó, nó bao gồm hàng trăm đường thẳng đứng, hay còn gọi là "dây", được neo vào đáy biển và giữ căng bằng các phao ngầm. Gắn vào những dây này là các Mô-đun Quang học Kỹ thuật số (DOM) - những quả cầu thủy tinh chịu áp lực có đường kính khoảng 17 inch.
"Điều tuyệt vời của kính viễn vọng neutrino là chúng ta không cần phải hướng nó một cách rõ ràng, nó sẽ thu nhận neutrino từ mọi hướng; việc hướng được thực hiện bằng phần mềm," Paul DeJong, người phát ngôn của dự án, nói với Decrypt .
DeJong, giáo sư tại Đại học Amsterdam và nhà khoa học cấp cao tại Nikhef (Viện Vật lý Hạ nguyên tử Quốc gia Hà Lan), nổi tiếng với vai trò lãnh đạo trong các dự án hợp tác lớn như thí nghiệm ATLAS của CERN (phát hiện hạt Higgs). Ông cũng là người phát ngôn được chỉ định cho dự án kính viễn vọng neutrino KM3NeT.
Bên trong mỗi quả cầu là một kỳ tích của sự thu nhỏ. Trong khi các máy dò neutrino cũ hơn sử dụng các cảm biến ánh sáng lớn duy nhất, thì các DOM của KM3NeT chứa 31 ống nhân quang nhỏ hơn được sắp xếp giống như mắt kép của một con ruồi. Thiết kế đa mắt này mang lại cho chúng độ nhạy định hướng đặc biệt và cho phép chúng phân biệt giữa tín hiệu neutrino thực sự và "nhiễu" nền của các sinh vật biển phát quang sinh học hoặc các muối kali phóng xạ có tự nhiên trong nước biển.
Thật khó để hình dung quy mô của nó. Máy dò không phải là một vật thể rắn duy nhất mà là một rừng cảm biến thưa thớt trải rộng trên một khối lập phương nước có thể tích một km khối. Nó giống như một nhà thờ được xây dựng chỉ bằng dây cáp, kính và chính biển cả - cao hơn cả Burj Khalifa, nhưng hoàn toàn vô hình từ mặt nước.
Sáng kiến này thực chất là hai máy dò riêng biệt, mỗi máy được điều chỉnh để dò một tần số khác nhau trong bản giao hưởng vũ trụ.
Trạm quan trắc đầu tiên, nằm ngoài khơi Toulon, Pháp, được gọi là ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss - Nghiên cứu dao động với các hạt vũ trụ trong vực sâu). Tại đây, các cảm biến được bố trí rất sát nhau. Nhiệm vụ của ORCA là thu nhận các neutrino năng lượng thấp đã đi xuyên qua Trái đất từ phía bên kia.
Bằng cách nghiên cứu cách các neutrino này thay đổi "hương vị" - một thủ thuật biến đổi hình dạng trong cơ học lượng tử - khi chúng đi qua Mantle Trái Đất, dự án ORCA hướng đến giải quyết vấn đề "thứ bậc khối lượng": xác định loại neutrino nào trong ba loại là nặng nhất. Điều này nghe có vẻ trừu tượng, nhưng câu trả lời nằm ở chìa khóa để hiểu tại sao vũ trụ được cấu tạo từ vật chất chứ không phải phản vật chất.
Máy dò thứ hai, và là nơi diễn ra phát hiện phá kỷ lục gần đây, là ARCA (Nghiên cứu hạt vũ trụ với các vật thể trong vực sâu). Nằm ở vùng nước sâu ngoài khơi Capo Passero, Ý, ARCA là một cỗ máy khổng lồ. Các cảm biến của nó được đặt cách xa nhau để theo dõi một khối lượng giao dịch nước khổng lồ. ARCA là "kính viễn vọng" thực sự, được thiết kế để bắt những quái vật năng lượng cực cao đến từ không gian sâu thẳm.
Đầu năm nay, cộng đồng khoa học đã vô cùng phấn khích khi nhóm hợp tác KM3NeT công bố phân tích của họ về sự kiện hiện được biết đến với tên gọi KM3-230213A. Để dễ hình dung hơn về 220 PeV, các neutrino điển hình từ Mặt Trời có năng lượng trong khoảng Mega-electronvolt (MeV). Một PeV có năng lượng gấp một tỷ lần con số đó. Hạt được ARCA phát hiện mang động năng tương đương với một quả bóng tennis được giao bởi vận động viên chuyên nghiệp, tất cả được gói gọn trong một điểm hạ nguyên tử nhỏ hơn cả một ATOM.
Phát hiện này đã xác nhận điều mà các nhà lý thuyết từ lâu đã nghi ngờ nhưng không thể chứng minh: rằng vũ trụ chứa các máy gia tốc hạt tự nhiên mạnh hơn nhiều so với Máy gia tốc hạt lớn (LHC). Trong khi LHC hoạt động dựa trên hàng kilomet nam châm và điện, thì nguồn gốc của các neutrino này lại hoạt động dựa trên lực hấp dẫn và nhiễu loạn từ trường trên quy mô thiên hà.
Sự kiện năng lượng 220 PeV này có khả năng bắt nguồn từ một blazar—một lỗ đen siêu khối lượng phóng ra một luồng plasma trực tiếp về phía Trái đất. Phát hiện này đã đẩy mạnh giới hạn của Mô hình Chuẩn trong vật lý hạt, thách thức sự hiểu biết của chúng ta về mức năng lượng cao nhất có thể đạt được trước khi các định luật vật lý đặt ra giới hạn tốc độ.
Thành công của KM3NeT là một chiến thắng cho vật lý. Việc triển khai các sợi dây này là một quá trình phối hợp hậu cần phức tạp. Mỗi sợi dây được cuộn vào một khung phóng hình cầu nhỏ gọn, được hạ xuống đáy biển bằng một tàu chuyên dụng, và sau đó được kích hoạt bằng sóng âm để bung ra, vươn lên hàng trăm mét trong cột nước.
Những thách thức là vô cùng lớn. Áp suất ở độ sâu này lên tới 350 atm. Nước mặn có tính ăn mòn cao. Hệ thống điện tử phải hoạt động tự động trong nhiều thập kỷ mà không cần bảo trì, vì không thể chỉ đơn giản cử thợ lặn xuống để thay cầu chì. Nhóm nghiên cứu phải phát triển các hệ thống truyền dữ liệu cáp quang mới để gửi hàng terabyte dữ liệu thô từ đáy biển đến các trạm trên bờ theo thời gian thực.
Đầu năm 2025, trạm ARCA gặp sự cố mất điện trong mạng lưới dưới đáy biển – một trở ngại đòi hỏi sự can thiệp phức tạp của robot để khắc phục. Bất chấp những khó khăn này, nhóm nghiên cứu vẫn không nản lòng.
"Công nghệ đã được chứng minh, nhưng thiết bị dò chưa hoàn thiện," ông DeJong thừa nhận. "Hiện tại, khoảng 25% các thành phần thiết kế của thiết bị dò đã được triển khai... nhưng việc hoàn thiện thiết bị dò thực sự sẽ là một công việc đáng kể."
Lịch trình này phản ánh quy mô của nhiệm vụ, đặt mục tiêu hoàn thành ORCA vào năm 2030 và ARCA vào năm 2031.
"Kích thước rất quan trọng để bắt được các hạt neutrino khó nắm bắt, vì vậy chúng ta cần thêm khối lượng giao dịch đó," DeJong nói. "Điều kiện khó khăn ở độ sâu dưới biển vẫn là một thách thức."
Khi năm 2025 sắp kết thúc, KM3NeT vẫn đang tiếp tục phát triển. Các đường truyền tín hiệu mới đang được triển khai ở cả Pháp và Ý. Nhưng nó đã hoàn thành lời hứa của mình. Chúng ta đã chuyển từ kỷ nguyên thiên văn học thuần túy bằng hình ảnh sang thiên văn học "đa phương tiện". Giờ đây, chúng ta có thể quan sát một ngôi sao phát nổ bằng kính viễn vọng, cảm nhận sự gợn sóng trong không thời gian bằng máy dò sóng hấp dẫn và bắt những hạt ma trốn thoát bằng máy săn neutrino.
"Tôi muốn quan sát các hạt neutrino từ những nguồn phát ra các loại bức xạ khác, ví dụ như tia gamma hoặc sóng hấp dẫn," DeJong nói, hướng tới tương lai. "Sự kết hợp của tất cả thông tin này sẽ thực sự giúp chúng ta tiến bộ trong việc hiểu biết về vũ trụ."
Sáng kiến KM3NeT nhắc nhở chúng ta rằng để nhìn thấy những vùng xa xôi nhất của bầu trời, đôi khi chúng ta phải nhìn sâu vào vực thẳm. Nó cũng nhắc nhở chúng ta về mối liên hệ mật thiết của chính mình với những sự kiện thiên thể xa xôi đó.
Như DeJong đã nhận xét: "Chúng ta thực sự là bụi sao! Đó chẳng phải là một khái niệm tuyệt vời sao?"
