Nobel Vật lý 2026 vinh danh Francis Halzen và Đài quan sát Neutrino IceCube

Giáo sư Francis Halzen, nhận giải Nobel Vật lý 2026 cho những đóng góp quyết định cho Đài quan sát Neutrino IceCube và việc phát hiện neutrino năng lượng cao có nguồn gốc thiên văn.  Ảnh: Reuters

Công trình nằm ở giao điểm của vật lý hạt và vật lý thiên văn, đặt nền tảng cho thiên văn học neutrino và thiên văn học đa sứ giả (multi-messenger astronomy).

Neutrino là hạt sơ cấp không mang điện, khối lượng cực nhỏ, hầu như không tương tác với vật chất. Mỗi giây, khoảng 65 tỷ neutrino từ Mặt Trời xuyên qua mỗi centimét vuông bề mặt Trái Đất mà không để lại dấu vết.

Neutrino năng lượng cao hình thành khi các tia vũ trụ, chủ yếu là proton, được gia tốc ở những nguồn cực đoan như nhân thiên hà hoạt động hay tàn dư siêu tân tinh, rồi va chạm với vật chất xung quanh. Va chạm sinh ra các pion; pion phân rã thành neutrino, có thể đạt cấp petaelectronvolt (PeV, 10¹⁵ eV).

Giá trị khoa học của hạt này nằm ở khả năng giữ nguyên hướng bay. Tia vũ trụ mang điện bị từ trường làm lệch đường đi. Tia gamma bị bụi và ánh sáng nền hấp thụ. Neutrino đi thẳng qua cả hai trở ngại, nên chỉ thẳng về nguồn phát.

Hình minh họa. Nobel Prize

Cách IceCube hoạt động

Để bắt được loại hạt hiếm này, Halzen và cộng sự biến một km³ băng Nam Cực, ở độ sâu 1.450–2.450 m gần Trạm Amundsen–Scott, thành đầu dò. Nước nóng áp lực cao được dùng để khoan 86 lỗ, thả xuống 5.160 mô-đun quang học số hóa (DOM) nối bằng cáp.

Khi một neutrino hiếm hoi va chạm với hạt nhân nguyên tử trong băng, nó tạo ra các hạt mang điện chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong băng và phát ra bức xạ Cherenkov, ánh sáng xanh rất yếu. Các cảm biến ghi lại thời điểm và cường độ ánh sáng để suy ra hướng và năng lượng của neutrino.

Có hai dạng tín hiệu chính. Dạng vệt (track), chủ yếu do neutrino muon tạo ra, cho phép xác định hướng nguồn phát với độ chính xác góc cao. Dạng quầng (cascade), chủ yếu do neutrino electron và tau, cho phép đo năng lượng chính xác hơn.

Tại phòng thí nghiệm IceCube, dữ liệu được thu thập và truyền qua vệ tinh đến kho dữ liệu tại Đại học Wisconsin–Madison. Phía dưới là Mô-đun quang học kỹ thuật số (DOM), với 5.160 DOM được triển khai trong băng. Trạm nghiên cứu (bên phải) là Trạm Nam Cực Amundsen–Scott, Nam Cực, Cơ sở nghiên cứu do Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NSF) quản lý.  Trong ảnh: Sơ đồ minh họa Đài quan sát Neutrino IceCube. Nguồn IceCube Collaboration. 

Các mốc chính của IceCube:

2013: công bố những neutrino PeV đầu tiên có nguồn gốc vũ trụ.

2017: liên kết một neutrino năng lượng cao với blazar TXS 0506+056.

2022: ghi nhận tín hiệu từ thiên hà hoạt động NGC 1068.

2023: phát hiện bức xạ neutrino từ mặt phẳng Ngân Hà ở mức 4,5 sigma. Một phân tích mới hơn, công bố dạng tiền ấn phẩm (preprint) tháng 7.2026, nâng mức này lên 5,7 sigma.

Mở đường cho lĩnh vực thiên văn học mới

Nhà khoa học Francis Halzen sinh năm 1944 tại Tienen (Bỉ), nhận bằng tiến sĩ năm 1969 tại Đại học KU Leuven. Ông năm nay 82 tuổi.

Năm 1988, cùng John G. Learned, ông đề xuất dùng băng tự nhiên làm môi trường dò ánh sáng Cherenkov. Sau thử nghiệm ở Greenland năm 1991, dự án tiền thân AMANDA được triển khai ở Nam Cực. Ở độ sâu dưới 1.000 m, bọt khí làm tán xạ ánh sáng, buộc các cảm biến phải đặt sâu hơn 1.400 m, nơi băng trong suốt. Được Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (NSF) tài trợ từ năm 2002, IceCube được lắp đặt từ giữa thập niên 2000 và hoàn tất năm 2011.

Chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý Mark Pearce nói: "Francis Halzen đã dẫn dắt một nhóm các nhà nghiên cứu và kỹ sư quốc tế tạo ra một thiết bị tuyệt vời. Sự kiên trì cùng tầm nhìn khoa học của ông đã mở đường cho một lĩnh vực thiên văn học mới."

Trao đổi với Ủy ban Nobel qua điện thoại từ Ý, Giáo sư Halzen nói: "Đó là một bất ngờ lớn và rõ ràng là tôi không hề lường trước điều này.” Chủ nhân của giải Nobel Vật lý 2026 cho biết trước đây từng có dự đoán rằng ông sẽ đoạt giải Nobel, nhưng thông báo chính thức vẫn khiến ông cảm thấy "lạ lẫm".

“Tôi đang soạn một bản đề xuất và hy vọng việc thắng giải này sẽ giúp nó được phê duyệt,” Giáo sư Halzen nói thêm.

Đài quan sát Neutrino IceCube tại Trạm Nam Cực Amundsen-Scott, Nam Cực. Ảnh: Felipe Pedreros/IceCube/NSF

Dự án Đài quan sát Neutrino IceCube quy tụ hàng trăm nhà khoa học và kỹ sư từ nhiều viện nghiên cứu trên thế giới. Thế hệ tiếp theo gồm IceCube-Gen2 (dự kiến mở rộng lên khoảng 8 km³ băng), cùng KM3NeT (Địa Trung Hải), Baikal-GVD (hồ Baikal), P-ONE (Thái Bình Dương, ngoài khơi Canada) và TRIDENT (Biển Đông).

Lan Chi (Theo Nobel Prize)