☕ Nhàn đàm S&T: Homochirality

Phác họa bài post:

Đề dẫn

·       Họ đã giải mã bí ẩn về tính bất đối xứng trong hóa học

·       Axit tartaric cho thấy các phân tử có thể là ảnh gương của nhau

·       Bí ẩn về tính đồng nhất đối quang của sự sống khiến các nhà nghiên cứu trăn trở

·       Toán học lý giải sự thiên lệch về tính đối quang trong sự sống

·       Kagan có tư duy đột phá

·       Kagan thành công trong việc nâng cao độ chọn lọc đối quang

·       Phương pháp thử sai (trial-and-error) mang lại kết quả cho Soai

·       Phản ứng tinh tế của Soai giải mã bí ẩn

·       Các nhà hóa học đã có thêm những công cụ nghiên cứu sắc bén

🤔.  Suy ngẫm chậm

~

Để giúp anh/chị quyết định có đọc tiếp hay không, tôi xin phép cung cấp các thông tin liên quan đến bài post này như sau:

·       Chủ đề: Hóa học

·       Tính thời sự: tháng 10/2026

·       Thời gian đọc: 7 phút kể cả thời gian uống cà phê

Đề dẫn

Xin phép anh/chị tiếp tục với các bản dịch ra tiếng Việt mục Popular information (Thông tin đại chúng) của giải Nobel, lần này là giải Hóa học. Câu chuyện lần này là việc giải mã bí ẩn về tính bất đối xứng trong hóa học có tên là homochirality, dịch là “tính đồng nhất đối quang”, cũng là chủ đề bài post này. Mục Popular information thường được trình bày có hơi hướng một tác phẩm văn học: hành trình đi đến giải thưởng của những người đoạt giải theo trình tự thời gian và các mốc đột phá về khoa học. Các khái niệm khoa học trong bài này thường được diễn giải theo phong cách đại chúng: dễ hiểu, thường có ảnh minh họa đi kèm. Vì vậy, hy vọng rằng qua bài này, anh/chị vừa nhâm nhi cà phê vừa thưởng thức “câu chuyện khoa học” do Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển dẫn dắt.

-

Họ đã giải mã bí ẩn về tính bất đối xứng trong hóa học

Một số phản ứng hóa học tạo ra hai phân tử khác nhau, trong đó phân tử này là ảnh gương của phân tử kia. Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã biết rằng về mặt lý thuyết, có thể thiết kế những phản ứng chỉ tạo ra một trong hai dạng ảnh gương này. Tuy nhiên, làm thế nào để thực hiện được điều đó trong thực tế vẫn là một bí ẩn.

Henri B. Kagan và Kenso Soai được trao Giải Nobel Hóa học năm 2026 vì đã tìm ra lời giải cho vấn đề này. Những khám phá của họ có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với các nhà hóa học chuyên thiết kế phản ứng để ứng dụng trong những lĩnh vực như sản xuất dược phẩm.

© Johan Jarnestad / Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển

 

Các phân tử cấu thành sự sống đặt ra nhiều thách thức cho các nhà hóa học. Hãy tưởng tượng bạn là một thợ khóa chuyên chế tạo chìa khóa theo yêu cầu. Vấn đề là mỗi khi chế tạo chìa khóa, bạn luôn tạo ra hai phiên bản có hình dạng như ảnh gương của nhau, nhưng chỉ một trong hai chiếc mới mở được ổ khóa. Nếu khách hàng thử mở khóa bằng chiếc chìa còn lại, ổ khóa có thể bị hư hỏng. Đáng tiếc là việc phân biệt hai chiếc chìa khóa này rất khó, vì vậy khách hàng đành nhận cả hai.

Các nhà hóa học cũng phải đối mặt với những thách thức tương tự khi phát triển các loại dược phẩm mới. Nhiều phân tử thuốc tồn tại dưới hai dạng là ảnh gương của nhau nhưng không thể chồng khít lên nhau. Một dạng có tác dụng điều trị, trong khi dạng còn lại có thể gây ra những tác dụng phụ không cần thiết, đôi khi còn có hại. Nguyên nhân sâu xa của hiện tượng này có liên quan đến đặc điểm hóa học cơ bản của sự sống: sự sống có tính đồng nhất đối quang (homochirality), một thuật ngữ bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, với nghĩa là “giống nhau” và “bàn tay”.

Giống như hai bàn tay trái và phải, mọi axit amin đều tồn tại dưới hai dạng đối quang là ảnh gương của nhau, nhưng trong các protein của tế bào chúng ta, chỉ có một dạng được tìm thấy. Dạng còn lại hiếm khi xuất hiện trong tự nhiên. Điều tương tự cũng đúng với các phân tử đường cấu thành ADN của chúng ta. Những phân tử này có hai dạng đối quang là ảnh gương của nhau, nhưng sự sống chỉ sử dụng một dạng.

Từ lâu, các nhà hóa học đã trăn trở về cách tính đồng nhất đối quang có thể hình thành. Henri B. Kagan và Kenso Soai được trao Giải Nobel Hóa học năm 2026 vì đã tìm ra lời giải cho bí ẩn này. Henri B. Kagan đã phát hiện ra một phương pháp mới để điều khiển các phản ứng hóa học, cho phép tạo ra lượng dư của một dạng đối quang so với dạng còn lại ở mức lớn hơn những gì trước đây được cho là có thể đạt được. Phát hiện của ông đã tạo nên bước ngoặt trong lĩnh vực hóa học, đặc biệt đối với các nhà khoa học phát triển những phản ứng phục vụ sản xuất dược phẩm, hương liệu, chất tạo mùi và vật liệu mới.

Kenso Soai đã thiết kế phản ứng hóa học đầu tiên trong đó chỉ một trong hai dạng đối quang tiềm năng được hình thành. Ngoài chính sự sống, chưa từng có ai đạt được thành tựu này. Phản ứng Soai là một trong những thí nghiệm hóa học ngoạn mục nhất từng được thực hiện.

Giải Nobel Hóa học năm 2026 là kết quả của một chuỗi ý tưởng kéo dài, trong đó mắt xích đầu tiên được hình thành vào giữa thế kỷ XIX. Mọi chuyện bắt đầu khi Louis Pasteur nghiên cứu một chất có vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất rượu vang: axit tartaric.

 

Axit tartaric cho thấy các phân tử có thể là ảnh gương của nhau

Pasteur nghiên cứu hầu hết các đối tượng mà ông muốn tìm hiểu bằng kính hiển vi. Khi các đồng nghiệp cho biết axit tartaric đôi khi làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang phải, nhưng vào những lúc khác lại hoàn toàn không ảnh hưởng đến ánh sáng, ông bắt đầu chú ý đến hiện tượng này.

Ông nuôi tinh thể axit tartaric rồi quan sát chúng dưới kính hiển vi và phát hiện ra rằng chúng tồn tại dưới hai dạng, mỗi dạng là ảnh gương của dạng kia. Dùng nhíp, ông tách riêng các tinh thể thuộc hai dạng này rồi hòa tan chúng trong những dung dịch riêng biệt. Khi chiếu ánh sáng phân cực qua các dung dịch, một dung dịch làm quay mặt phẳng phân cực sang phải, còn dung dịch kia làm quay mặt phẳng phân cực sang trái. Nếu trộn hai dung dịch với nhau, ánh sáng không bị quay.

Thí nghiệm này giúp các nhà hóa học nhận ra rằng một số chất tồn tại dưới hai dạng là ảnh gương của nhau. Về sau, những chất này được gọi là chất có tính đối quang (chiral substances), còn hai phân tử là ảnh gương của nhau được gọi là hai đồng phân đối quang (enantiomers) (Hình 2).

Hình 2. © Johan Jarnestad / Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, được Việt hóa từ nguồn (credit: ChatGPT)

Bí ẩn về tính đồng nhất đối quang của sự sống khiến các nhà nghiên cứu trăn trở

Pasteur có thêm một phát hiện quan trọng vào năm 1857, khi ông nghiên cứu điều gì xảy ra khi vi khuẩn lên men các đồng phân đối quang khác nhau của axit tartaric. Kết quả cho thấy vi khuẩn dễ dàng lên men dạng đồng phân đối quang có trong nho và làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang phải. Tuy nhiên, vi khuẩn không hề tác động đến phân tử là ảnh gương của dạng này. Phân tử đó vẫn nguyên vẹn, không bị biến đổi. Như vậy, ý tưởng cho rằng hóa học của sự sống có tính đối quang theo một cách nào đó đã lần đầu xuất hiện. Về sau, khi các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm hiểu những thành phần cấu tạo nên sự sống, họ phát hiện ra rằng các axit amin có nguồn gốc tự nhiên luôn làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang trái, trong khi các phân tử đường trong cấu trúc xoắn kép của ADN lại có tác dụng ngược lại, làm quay mặt phẳng phân cực sang phải.

Nhận thức rằng các phân tử của sự sống chỉ chứa một trong hai đồng phân đối quang có thể có đã dẫn đến câu hỏi tiếp theo: Điều gì đã xảy ra vào buổi bình minh của sự sống, khiến hóa học của sự sống chỉ ưu tiên một dạng đối quang? Khi các nhà hóa học tiến hành những thí nghiệm với các phản ứng tạo ra phân tử có tính đối quang, họ luôn thu được hỗn hợp gồm hai đồng phân đối quang với lượng bằng nhau trong các ống nghiệm. Vậy tại sao sinh vật sống chỉ sử dụng một dạng ảnh gương của axit amin? Và tính đồng nhất đối quang (homochirality) có thể hình thành bằng cách nào?

Một số nhà hóa học cho rằng hóa học đối quang là đặc tính chỉ có ở sự sống. Tuy nhiên, vào đầu thế kỷ XX, nhà hóa học người Đức Willy Marckwald đã thực hiện thành công phản ứng bất đối xứng đầu tiên (Hình 3). Điều này có nghĩa là phản ứng tạo ra một đồng phân đối quang với lượng nhiều hơn đồng phân còn lại. Chìa khóa nằm ở việc Marckwald sử dụng chất xúc tác — một chất thúc đẩy phản ứng hóa học mà bản thân nó không bị tiêu hao trong quá trình phản ứng. Trong phản ứng này, chất xúc tác có tính đối quang, vì vậy nó thúc đẩy sự hình thành một dạng ảnh gương nhiều hơn dạng còn lại. Sự chênh lệch này rất nhỏ, nhưng chỉ riêng việc chứng minh được rằng nó tồn tại đã là một bước đột phá.

Hình 3. © Johan Jarnestad / Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, được Việt hóa từ nguồn (credit: ChatGPT)

 

Mắt xích quan trọng tiếp theo trong chuỗi ý tưởng dẫn đến Giải Nobel Hóa học năm 2026 được hình thành vào năm 1953. Đó là những lập luận hoàn toàn mang tính lý thuyết, được trình bày trong một bài báo khoa học.

 

Toán học lý giải sự thiên lệch về tính đối quang trong sự sống

Ngay trong phần mở đầu của bài báo, người đọc có thể cảm nhận được đôi chút ngạc nhiên. Tác giả bài báo là Charles Frank, thuộc Đại học Bristol, một nhà vật lý lý thuyết. Ông kể rằng một đồng nghiệp đã cho ông biết các nhà hóa học vẫn chưa hiểu được tính bất đối xứng của sự sống hình thành như thế nào. Theo người đồng nghiệp này, một lời giải bằng toán học cho vấn đề đó sẽ rất hữu ích đối với các nhà hóa học.

Để đáp lại, Frank đưa ra một mô hình phản ứng hóa học, trong đó phải đáp ứng ba điều kiện:

1. Phải có một chất xúc tác có tính đối quang và một phản ứng bất đối xứng.
2. Sự hình thành của một dạng ảnh gương phải được thúc đẩy theo một cách nào đó, trong khi sự hình thành của dạng còn lại bị kìm hãm.
3. Bản thân phản ứng hóa học phải tạo ra chất xúc tác. Hiện tượng này được gọi là tự xúc tác (autocatalysis), tạo ra hiệu ứng tự khuếch đại, khiến số lượng của một trong hai đồng phân đối quang trong phản ứng tăng theo hàm số mũ.

Một phản ứng hóa học đáp ứng đầy đủ cả ba điều kiện này có thể dẫn đến tính đồng nhất đối quang (homochirality). Mô hình của Frank được phổ biến rộng rãi trong giới hóa học, trở thành một dạng câu đố hóa học mà các giảng viên đại học có thể đưa ra cho sinh viên: làm thế nào để hiện thực hóa những điều kiện này trong các phản ứng hóa học thực tế?

Như đã đề cập ở trên, Marckwald đã thành công trong việc đáp ứng điều kiện thứ nhất vào đầu thế kỷ XX. Tuy nhiên, phải đến sau này, các nhà nghiên cứu mới thiết kế được những phản ứng hóa học có tính bất đối xứng đáng kể. Những người tiên phong trong lĩnh vực này đã được trao Giải Nobel Hóa học vào các năm 2001 và 2021.

Giải Nobel Hóa học năm 2026 ghi nhận việc đáp ứng hai điều kiện còn lại. Trước tiên, hãy cùng tìm hiểu ý tưởng đơn giản nhưng tài tình đã giúp Henri B. Kagan đánh dấu hoàn thành điều kiện thứ hai trong mô hình của Frank vào năm 1986.

 

Kagan có tư duy đột phá

Kagan, khi đó công tác tại Đại học Paris-Sud, là một trong số nhiều nhà hóa học nỗ lực cải tiến các phản ứng bất đối xứng vào đầu những năm 1980. Mục tiêu là tạo ra các đồng phân đối quang có độ tinh khiết cao nhất có thể, chẳng hạn để phục vụ sản xuất dược phẩm. Tầm quan trọng của việc này đã được phơi bày qua bê bối thalidomide vào đầu những năm 1960, khi hàng nghìn trẻ em bị dị tật bẩm sinh do một loại thuốc an thần có tên thalidomide gây ra. Khi phân tích sự việc, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng chính dạng ảnh gương của hoạt chất là nguyên nhân gây ra tác hại.

Để thúc đẩy các phản ứng bất đối xứng, các nhà nghiên cứu thường sử dụng chất xúc tác gồm hai thành phần: một nguyên tử kim loại đóng vai trò như động cơ thúc đẩy phản ứng, và một chất có tính đối quang giúp bảo đảm phản ứng diễn ra theo hướng bất đối xứng.

Vì mục tiêu của các nhà nghiên cứu là thu được sản phẩm chứa đồng phân đối quang tinh khiết, họ thường sử dụng chất xúc tác có chứa một đồng phân đối quang với độ tinh khiết cao nhất có thể. Tuy nhiên, họ cho rằng nếu kết hợp hai đồng phân đối quang là ảnh gương của nhau trong chất xúc tác, sản phẩm sẽ chứa hai dạng này theo tỷ lệ tương ứng. Nói cách khác, họ tin rằng tính đối quang của chất xúc tác được truyền sang tính đối quang của sản phẩm và giữa hai yếu tố này tồn tại mối quan hệ tuyến tính.

Kagan bắt đầu nghi ngờ giả định đó. Là một nhà hóa học giàu kinh nghiệm, ông dành thời gian xem xét kỹ hơn bản thân chất xúc tác. Trên thực tế, chưa ai biết chính xác chất xúc tác hoạt động như thế nào. Trong phản ứng hóa học, nguyên tử kim loại và phân tử có tính đối quang rõ ràng có tương tác với nhau, nhưng câu hỏi đặt ra là chúng tương tác theo cách nào.

Thông thường, các nguyên tử kim loại tương tác đồng thời với nhiều phân tử. Vì vậy, Kagan giả định rằng trong quá trình phản ứng hóa học, nguyên tử kim loại của chất xúc tác hút ít nhất hai phân tử có tính đối quang. Nếu kết hợp hai đồng phân đối quang trái và phải, sẽ hình thành ba dạng chất xúc tác, như minh họa trong Hình 4: phải–phải, trái–phải và trái–trái.

Các chất xúc tác dạng phải–phải và trái–trái sẽ tạo ra những sản phẩm là ảnh gương của nhau. Nhưng chất xúc tác dạng trái–phải sẽ phản ứng như thế nào?

Hình 4. © Johan Jarnestad / Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, được Việt hóa từ nguồn (credit: ChatGPT)

 

Kagan thành công trong việc nâng cao độ chọn lọc đối quang

Lập luận này đã giúp Kagan phát hiện ra một yếu tố bất ngờ, giống như lá bài tẩy trong bộ bài: chất xúc tác dạng trái–phải hoạt động khác với hai dạng còn lại. Khi thử thúc đẩy phản ứng bằng các chất xúc tác chứa những tổ hợp đồng phân đối quang khác nhau, ông nhận thấy mối quan hệ giữa tỷ lệ các đồng phân trong chất xúc tác và tỷ lệ của chúng trong sản phẩm không phải là quan hệ tuyến tính như các nhà hóa học khác từng giả định. Thay vào đó, đồ thị Kagan thu được khi biểu diễn các kết quả nghiên cứu có dạng đường cong (Hình 5). Nguyên nhân là chất xúc tác dạng trái–phải thúc đẩy phản ứng hóa học chậm hơn nhiều so với các chất xúc tác dạng phải–phải hoặc trái–trái (Hình 4).

Hình 5. Sơ đồ trích từ bài báo đăng trên Journal of the American Chemical Society (1986), tập 108, trang 2353–2357. Khi Kagan kết hợp các đồng phân đối quang theo những tỷ lệ khác nhau trong chất xúc tác, các hiệu ứng minh họa ở Hình 4 đã xuất hiện. Độ dư của một đồng phân đối quang trong sản phẩm phản ứng lớn hơn độ dư của đồng phân đó trong chất xúc tác. Khi biểu diễn các kết quả thu được trên đồ thị, ông nhận thấy một hiệu ứng phi tuyến (non-linear effect), được Việt hóa từ nguồn (credit: ChatGPT)

 

Trên thực tế, điều này có nghĩa là Kagan đã tìm ra một phương pháp giúp tăng cường sự hình thành của một trong hai đồng phân đối quang trong sản phẩm phản ứng (Hình 4). Như vậy, ông đã đáp ứng điều kiện thứ hai trong mô hình của Frank.

Năm 1986, ông mô tả tới ba phản ứng bất đối xứng khác nhau thể hiện hiện tượng mà các nhà hóa học gọi là hiệu ứng phi tuyến (non-linear effects). Đây là một bước đột phá mang tính lịch sử, mở ra hướng nghiên cứu mới khiến nhiều nhà hóa học bắt đầu tìm hiểu hiện tượng này. Một trong số đó là Kenso Soai, công tác tại Đại học Khoa học Tokyo, người đã hoàn thiện mắt xích cuối cùng trong chuỗi ý tưởng dẫn đến Giải Nobel Hóa học năm 2026.

 

Phương pháp thử sai (trial-and-error) mang lại kết quả cho Soai

Kenso Soai nghiên cứu một phản ứng hóa học bất đối xứng có hiệu ứng phi tuyến rất lớn. Khi xem xét kỹ cấu trúc của chất xúc tác và sản phẩm được tạo thành trong phản ứng, ông nhận ra rằng chúng có những điểm tương đồng đáng kể. Điều này đã khơi gợi một ý tưởng: liệu ông có thể thiết kế một phản ứng trong đó chính chất xúc tác được tạo ra thông qua quá trình tự xúc tác hay không?

Vào thời điểm đó, tức đầu những năm 1990, người ta đã biết đến một số phản ứng tự xúc tác, nhưng chưa có phản ứng nào mang tính bất đối xứng. Bằng cách thử nghiệm với nhiều phân tử khác nhau, Soai đã thành công trong việc tìm ra một hợp chất có tính đối quang — alkanol chứa nhóm 5-pyrimidyl — có khả năng tự tạo ra chính nó.

Trong một công trình công bố năm 1995, ông mô tả thí nghiệm mang tính đột phá này. Ban đầu, hỗn hợp chứa lượng dư 2% của một đồng phân đối quang của alkanol 5-pyrimidyl. Sau phản ứng, độ dư của đồng phân đó tăng lên 87%. Phản ứng có cơ chế tự khuếch đại và đáp ứng tất cả các tiêu chí của Frank, nhưng vẫn chưa đạt được độ tinh khiết đối quang 100% như ở các phân tử của sự sống.

 

Phản ứng tinh tế của Soai giải mã bí ẩn

Trong suốt tám năm tiếp theo, Soai tiếp tục tìm kiếm một quá trình tự xúc tác hoàn thiện nhất. Đến năm 2003, cuối cùng ông đã công bố một phản ứng hóa học tạo ra lượng dư của một đồng phân đối quang, rồi chính đồng phân đó tiếp tục tạo ra các bản sao của nó (Hình 6). Đây là lần đầu tiên, kể từ buổi bình minh của sự sống, một nhà khoa học thành công trong việc tạo ra tính đối quang từ một tổ hợp các phân tử ban đầu không có tính đối quang.

Hình 6. © Johan Jarnestad / Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, được Việt hóa từ nguồn (credit: ChatGPT)

 

Phản ứng Soai được xem là một trong những thí nghiệm hóa học tinh tế nhất từng được thực hiện. Khi Soai khởi động quá trình xúc tác, cả hai đồng phân đối quang đều được tạo ra. Tuy nhiên, do yếu tố ngẫu nhiên chi phối quá trình này, một trong hai đồng phân hình thành với lượng nhỉnh hơn đôi chút. Lượng dư rất nhỏ đó đã đủ để đồng phân ấy chiếm ưu thế trong toàn bộ phản ứng hóa học. Cuối cùng, nó có thể chiếm tới 99,99% sản phẩm. Khi Soai lặp lại phản ứng, đồng phân đối quang còn lại có thể chiếm ưu thế thay thế. Đồng phân mà ông thu được ở cuối phản ứng phụ thuộc vào những gì tình cờ xảy ra ngay từ đầu phản ứng (Hình 6).

 

Các nhà hóa học đã có thêm những công cụ nghiên cứu sắc bén

Phản ứng Soai là một phản ứng nhân tạo, khác với các quá trình hóa học diễn ra trong sự sống, nhưng nó đã khơi dậy niềm hào hứng mới ở các nhà hóa học muốn tìm hiểu nguồn gốc sự sống. Hiện nay, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đang nỗ lực tái hiện thành tựu của Soai, nhưng với mục tiêu tạo ra các axit amin và đường có tính đồng nhất đối quang.

Những hiệu ứng phi tuyến mà Kagan phát hiện đã trở thành một công cụ quan trọng giúp các nhà hóa học thiết kế những phản ứng mới. Tính phi tuyến của một phản ứng cung cấp cho các nhà hóa học thông tin về cơ chế diễn ra phản ứng đó. Họ có thể sử dụng thông tin này để tối ưu hóa phản ứng, qua đó thu được sản phẩm chứa các đồng phân đối quang với độ tinh khiết cao nhất có thể. Điều này vô cùng quan trọng đối với mọi công ty sản xuất các chất được thiết kế để tương tác với sinh vật sống, chẳng hạn như dược phẩm, chất tạo hương vị, chất tạo mùi và hóa chất nông nghiệp. Trong một số trường hợp, điều này cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất các vật liệu mới.

Nhờ những khám phá được vinh danh bằng Giải Nobel Hóa học năm 2026, các nhà hóa học đã có thêm những công cụ mới mang tính nền tảng để sử dụng trong công việc hằng ngày. Nhưng trên hết, những khám phá này đã góp phần giải đáp một trong những bí ẩn lớn nhất của hóa học: làm thế nào tính đồng nhất đối quang — đặc điểm hiện diện ở tất cả các sinh vật sống — có thể hình thành.

Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển quyết định trao Giải Nobel Hóa học năm 2026 cho

HENRI B. KAGAN

Sinh năm 1930 tại Boulogne-Billancourt, Pháp. Nhận bằng tiến sĩ năm 1960 tại Collège de France, Pháp. Giáo sư danh dự tại Đại học Paris-Sud (nay thuộc một cơ sở đại học khác), Pháp.

KENSO SOAI

Sinh năm 1950 tại Hiroshima, Nhật Bản. Nhận bằng tiến sĩ năm 1979 tại Đại học Tokyo, Nhật Bản. Giáo sư danh dự tại Đại học Khoa học Tokyo, Nhật Bản.

“Vì đã phát hiện ra các hiệu ứng phi tuyến và hiện tượng tự xúc tác trong quá trình tổng hợp hữu cơ bất đối xứng.”

 

🤔.  Suy ngẫm chậm

Vì sao sự sống chủ yếu sử dụng một dạng đối quang? Bài của giải Nobel: “Họ (Kagan và Soai) đã giải mã bí ẩn về tính bất đối xứng trong hóa học” nhưng chưa đề cập về nguồn gốc tại sao sự sống lại chỉ sử dụng một dạng đối quang. Phải có nguyên nhân của nó chứ nhỉ? Chưa ai có lời giải một cách chắc chắn cả. Tôi thấy có một cách giải thích có vẻ có lý:

·       Người ta tìm thấy một số thiên thạch có chứa một lượng nhỏ dư thừa các axit amin L. Điều này gợi ý rằng Trái Đất sơ khai có thể đã được “gieo mầm” bằng một sai lệch đã tồn tại từ trước, có lẽ được tạo ra bởi các lực vật lý bất đối xứng khác, chẳng hạn như ánh sáng phân cực tròn từ các ngôi sao xa xôi.

·       Sự khuếch đại: biến một tia lửa thành một ngọn lửa. Một sai lệch nhỏ ban đầu đơn thuần là không đủ để đạt được tính bất đối xứng một phía hoàn toàn. Bước quan trọng là lấy lợi thế nhỏ bé này và khuếch đại nó theo cấp số nhân. Đây là cốt lõi của mô hình Frank có ảnh hưởng lớn về nguồn gốc của tính bất đối xứng.

·       Sau khi sự sống thiết lập nền hóa học bất đối xứng một phía này, chọn lọc tự nhiên sẽ duy trì và củng cố nó. Một nhà máy tế bào hiệu quả hơn nhiều nếu tất cả các thành phần của nó "vặn vào cùng một phía", và bất kỳ đột biến ngẫu nhiên nào đưa vào dạng “sai” sẽ nhanh chóng bị loại bỏ vì có hại cho chức năng tế bào. Thời gian chọn lọc tự nhiên này của sự sống là hàng tỷ năm.

Credit: ChatGPT

~~~ 

Chúc anh/chị đọc vui nhã

LeVanLoi 

☕ Nhàn đàm S&T: IceCube

Phác họa bài post:

Đề dẫn

·       Băng Nam Cực giúp khám phá các nguồn gia tốc hạt vũ trụ

·       Vật lý hạt gặp gỡ vật lý thiên văn

·       Những tia sáng lóe lên trong băng

·       Đài thiên văn neutrino tại Nam Cực

·       Các bọt khí trong băng có thể gây ra vấn đề

·       Cuối cùng, IceCube cũng phát hiện được các neutrino vũ trụ

·       Các nhà nghiên cứu hy vọng khám phá điều gì qua các neutrino từ vũ trụ?

·       Nhiều kết quả mới đang được kỳ vọng

🤔.  Suy ngẫm chậm

~

Để giúp anh/chị quyết định có đọc tiếp hay không, tôi xin phép cung cấp các thông tin liên quan đến bài post này như sau:

·       Chủ đề: Vật lý

·       Tính thời sự: tháng 10/2026

·       Thời gian đọc: 8 phút kể cả thời gian uống cà phê

Đề dẫn

Xin tiếp tục nhàn đàm về giải Nobel, lần này là giải Vật lý. Cùng cách làm như đối với giải Nobel Y Sinh, bài post này dịch mục Popular information (Thông tin đại chúng) ra tiếng Việt: kể lại hành trình, các ý tưởng của ông Francis Halzen – người đoạt giải Nobel Vật lý năm nay (2026) – trong việc xây dựng Đài thiên văn Neutrino IceCube ở Nam Cực để phát hiện các hạt neutrino, một loại hạt gần như không có khối lượng, không mang điện tích nên không bị ảnh hưởng bởi trường điện từ và đi xuyên qua vật chất không để lại dấu vết gì.

-

Lưu ý:  Tiêu đề tôi chọn là “IceCube” (viết liền), một từ khóa mà tôi cho rằng nói lên bản chất của toàn bộ câu chuyện. Đây không phải là tiêu đề của giải Nobel.

-

Băng Nam Cực giúp khám phá các nguồn gia tốc hạt vũ trụ

Francis Halzen đã đặt nền móng cho một loại hình thiên văn học hoàn toàn mới. Ý tưởng của ông là sử dụng lớp băng hà ở Nam Cực để ghi nhận những hạt bí ẩn gọi là neutrino. Thành quả là Đài quan sát Neutrino IceCube, có khả năng truy dấu các neutrino bắt nguồn từ những vùng xa xôi của vũ trụ.

© Johan Jarnestad/Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển

Neutrino là hạt “nhút nhát” nhất trong vũ trụ, không mang điện tích và có khối lượng gần như bằng không. Nhìn chung, nó đi xuyên qua vật chất mà không để lại dấu vết – rất hiếm khi một neutrino biểu lộ sự hiện diện của mình bằng cách va chạm với một hạt nhân nguyên tử. Mỗi giây, mà bạn không hề hay biết, có tới 65 tỷ neutrino từ Mặt Trời đi xuyên qua móng tay út của bạn.

Neutrino cũng đến từ những vùng khác trong không gian, mang theo manh mối về một số bí ẩn của vũ trụ. Các nhà nghiên cứu nếu bắt được những neutrino vũ trụ hiếm gặp này có thể khai thác thông tin về những môi trường cực đoan trong vũ trụ – nơi chúng được sinh ra.

Từ những năm 1980, Francis Halzen đã nhận ra rằng lớp băng Nam Cực có thể là môi trường lý tưởng để “bẫy” đủ số lượng những neutrino bí ẩn này, qua đó giúp các nhà nghiên cứu tìm hiểu thêm về nguồn gốc xa xôi của chúng. Ông nhanh chóng thuyết phục nhiều người khác về tiềm năng của ý tưởng này. Đến năm 1992, một nhóm gồm mười nhà nghiên cứu và kỹ sư đầy kiên trì đã thực hiện những nỗ lực đầu tiên nhằm hạ các cảm biến ánh sáng xuống lớp băng tại Nam Cực.

Bước đột phá đến khoảng hai mươi năm sau: đài thiên văn neutrino IceCube đã ghi nhận những neutrino có các đặc tính khiến các nhà nghiên cứu tin rằng chúng bắt nguồn từ những vùng xa xôi của không gian. Cuộc săn tìm các nguồn neutrino của vũ trụ đã thực sự bắt đầu.

 

Vật lý hạt gặp gỡ vật lý thiên văn

Halzen lớn lên tại Bỉ. Ông bị cuốn hút bởi vật lý hạt trước những bước tiến của lĩnh vực này trong những năm 1960 và ban đầu tập trung nghiên cứu các hạt có khối lượng lớn được cấu tạo từ các quark. Không lâu sau khi hoàn thành bằng tiến sĩ, ông chuyển đến Đại học Wisconsin–Madison ở Hoa Kỳ. Về sau, ông nhận ra vật lý hạt có thể học hỏi được nhiều điều từ những hạt đến với chúng ta từ không gian – và ngược lại, vật lý thiên văn cũng có thể hưởng lợi từ vật lý hạt.

Động lực đằng sau việc tìm kiếm neutrino bắt nguồn từ những quan sát về một loại hạt hoàn toàn khác. Vũ trụ liên tục bị xuyên qua bởi các hạt được gọi chung là tia vũ trụ. Thông thường, những hạt này là proton – tức những hạt nhân nguyên tử hydro không có electron bao quanh. Các proton từ không gian đôi khi đến được Trái Đất với mức năng lượng đáng kinh ngạc, lớn hơn rất nhiều so với mức năng lượng mà con người có thể truyền cho chúng trong các máy gia tốc hạt trên Trái Đất.

Nguồn gốc của những tia vũ trụ có năng lượng cực cao vẫn là một trong những bí ẩn được giữ kín nhất của vũ trụ. Vì các định luật vật lý cho chúng ta biết rằng những quá trình có khả năng gia tốc proton lên năng lượng cao cũng đồng thời tạo ra các neutrino năng lượng cao, nên neutrino có thể cung cấp những manh mối then chốt về các máy gia tốc hạt vũ trụ này.

Những người thành công trong việc xác định các neutrino mang năng lượng khổng lồ có thể phân biệt chúng với những neutrino có năng lượng thấp hơn rất nhiều, vốn xuất phát từ sự phân rã của các chất phóng xạ, từ Mặt Trời, hoặc được tạo ra khi tia vũ trụ va chạm với khí quyển Trái Đất. Những neutrino không bắt nguồn từ môi trường xung quanh chúng ta hẳn phải đến từ một nơi nào đó rất, rất xa – có thể là từ những quá trình dữ dội tại các vùng nơi các ngôi sao đã phát nổ, hoặc từ những thiên hà hoạt động ở rất xa.

 

Những tia sáng lóe lên trong băng

Vào những năm 1980, khi Halzen đang nghiên cứu các hạt vũ trụ, ông nghe nói các nhà nghiên cứu Liên Xô đang lên kế hoạch sử dụng các máy thu vô tuyến để ghi nhận tín hiệu neutrino ở Nam Cực. Ý tưởng là khi một neutrino va chạm với hạt nhân nguyên tử trong băng, nó sẽ tạo ra một tia lửa điện, từ đó phát ra sóng vô tuyến. Nếu tín hiệu này đủ mạnh, nó có thể được thu nhận bằng một ăng-ten vô tuyến. Ý tưởng đó đã truyền cảm hứng cho Halzen, và ông nhận ra rằng một phương pháp khác có thể là lắp đặt các cảm biến ánh sáng trong lớp băng hà và tìm kiếm những chớp sáng do các vụ va chạm tạo ra.

Trước đó, vào khoảng năm 1960, một số nhà vật lý đã đề xuất rằng nước có thể là một vật liệu thích hợp để ghi nhận neutrino từ không gian. Trong những trường hợp hiếm hoi khi một neutrino va chạm với hạt nhân nguyên tử, một hạt mang điện sẽ được tạo ra; hạt này sau đó chuyển động theo cùng hướng với neutrino ban đầu và phát ra ánh sáng màu xanh lam. Vì nước trong suốt nên ánh sáng này có thể được phát hiện. Nếu sử dụng thiết bị phù hợp, người ta có thể xác định hướng truyền của ánh sáng và thậm chí xác định neutrino đã đến từ đâu. Yếu tố quan trọng nhất là phải có một thể tích nước đủ lớn để quan sát được dấu vết của nhiều vụ va chạm neutrino.

Ý tưởng của Halzen là sử dụng băng tự nhiên thay vì nước. Ông liên hệ với đồng nghiệp nghiên cứu John G. Learned, người khi đó đang làm việc trong dự án DUMAND. Đây là một dự án tương tự, nhằm ghi nhận các tín hiệu ánh sáng do neutrino tương tác tạo ra trong vùng nước biển sâu và trong của đại dương ngoài khơi Hawaii. Hai nhà vật lý cùng thảo luận về những cơ hội cũng như thách thức liên quan đến việc ghi nhận neutrino tại Nam Cực. Lần đầu tiên họ trình bày ý tưởng về một đài quan sát neutrino trong lớp băng tại Nam Cực là vào năm 1988, tại một hội nghị ở Ba Lan.

 

Đài thiên văn neutrino tại Nam Cực

Francis Halzen nhận ra rằng việc đặt đài quan sát neutrino tại Nam Cực địa lý có nhiều lợi thế: tại đây đã có sẵn một trạm nghiên cứu, cùng với hệ thống vận chuyển định kỳ và mọi điều kiện cần thiết để một nhóm nghiên cứu có thể làm việc.

Băng cũng mang lại nhiều lợi ích với tư cách là một vật liệu. Ở độ sâu đủ lớn, bóng tối là trạng thái thường trực. Không giống như đại dương, nơi đây không có sự nhiễu loạn do các sinh vật sống gây ra, đồng thời hàm lượng các chất phóng xạ cũng rất thấp. Băng ổn định và tạo ra một bề mặt vững chắc cho những người làm việc tại cơ sở. Khu vực này cũng ổn định về mặt địa chất, không có động đất.

Một bất lợi là nhiệt độ giá lạnh khiến việc đi đến và rời khỏi Nam Cực trở nên bất khả thi trong phần lớn thời gian của năm. Mọi công việc thực địa đều phải được tiến hành trong mùa hè Nam Cực ngắn ngủi, từ tháng 11 đến tháng 2.

© Johan Jarnestad/Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, được Việt hóa (Credit: ChatGPT)

 

Ban đầu, Halzen hài lòng với việc thực hiện các nghiên cứu lý thuyết, trong khi Learned bận rộn với dự án riêng và không bao giờ quay lại với những nghiên cứu lý thuyết của họ về việc ghi nhận neutrino tại Nam Cực. Câu chuyện có thể đã kết thúc ở đó – nhưng ý tưởng này đã thu hút sự quan tâm lớn đến mức chỉ trong vài năm, các nhà nghiên cứu từ nhiều cơ sở khác nhau đã tập hợp quanh Halzen để biến ý tưởng về một đài quan sát neutrino ở Nam Cực thành hiện thực.

Trước hết, họ phải giải quyết hàng loạt vấn đề thực tiễn liên quan đến việc đưa các thiết bị xuống sâu trong lớp băng. Từ các nhà băng hà học, họ biết rằng có thể khoan những lỗ sâu hàng kilômét bằng một loại thiết bị phun nước nóng tinh vi, sử dụng nước nóng để làm tan chảy băng. Sau đó, một sợi cáp dài gắn các chuỗi cảm biến ánh sáng có thể được hạ xuống lỗ khoan chứa đầy nước. Halzen mô tả những cảm biến này như một bóng đèn hoạt động theo chiều ngược lại – thiết bị thu nhận ánh sáng rồi chuyển đổi nó thành tín hiệu điện.

 

Các bọt khí trong băng có thể gây ra vấn đề

Trước tiên, nhóm nghiên cứu thử nghiệm việc đưa các cảm biến xuống lớp băng ở Greenland để kiểm tra xem chúng có thể ghi nhận ánh sáng phát ra từ các hạt trong băng hay không. Sau đó, họ bắt đầu xây dựng đài quan sát neutrino đầu tiên tại Nam Cực, tiền thân của IceCube: AMANDA.

Halzen từng kể rằng vào đêm Giáng sinh năm 1993, ông ngồi bên bàn ăn, đặt máy tính trên đùi và chờ một thông báo xác nhận rằng sợi cáp đầu tiên gắn các mô-đun quang học đã được lắp đặt trong băng.

Phần băng phía trên chứa rất nhiều bọt khí, làm tán xạ ánh sáng theo nhiều hướng khác nhau và làm mờ thông tin về chuyển động của các hạt, vì vậy những nỗ lực ban đầu đã gây thất vọng. Tuy nhiên, ở độ sâu dưới 1.400 mét, lớp băng hóa ra cực kỳ tinh khiết và trong suốt. Tại đó, các chớp sáng do neutrino tạo ra có thể truyền đi tới 300 mét trước khi bị hấp thụ, xa hơn nhiều so với dự kiến của mọi người. Một kết quả phụ của dự án neutrino là các nhà nghiên cứu đã thu được rất nhiều hiểu biết về tính chất của băng ở những độ sâu khác nhau.

Việc xây dựng AMANDA tiếp tục cho đến tháng 1 năm 2000. Mọi thứ đều hoạt động đúng như dự kiến, nhưng hệ thống vẫn chưa đủ khả năng phát hiện các neutrino giàu năng lượng đến từ những máy gia tốc hạt vũ trụ. Cần một thể tích lớn hơn, vì vậy công việc xây dựng IceCube bắt đầu – một khối băng có thể tích khoảng một kilômét khối, được trang bị các cảm biến ánh sáng. IceCube đạt kích thước đầy đủ vào năm 2011, với 5.160 cảm biến ánh sáng được phân bố trên 86 sợi cáp.

Trong suốt những năm qua, Halzen tiếp tục đóng vai trò như một chất xúc tác, trước hết đối với AMANDA và sau đó là IceCube. Với tư cách là một nhà nghiên cứu chính tận tâm và đầy nhiệt huyết, ông đã đưa các dự án này từ giai đoạn hình thành ý tưởng đến những phép đo hoàn chỉnh và các kết quả khoa học.

 

Cuối cùng, IceCube cũng phát hiện được các neutrino vũ trụ

Một đài quan sát neutrino như IceCube không chỉ phát hiện những neutrino mà các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm. Những neutrino vũ trụ này phải được phát hiện giữa một phông tín hiệu do các tia vũ trụ đi vào khí quyển Trái Đất tạo ra. Một số hạt trong số đó có thể xuyên sâu xuống đến các cảm biến nằm ở độ sâu từ 1.450 đến 2.450 mét dưới bề mặt. Mỗi ngày, hơn một trăm triệu hạt như vậy từ khí quyển phía trên Nam Cực được ghi nhận. Tia vũ trụ cũng tạo ra neutrino trong khí quyển, và trong số đó, mỗi ngày có vài trăm neutrino đến được IceCube sau khi xuyên qua Trái Đất từ bán cầu Bắc.

Để tìm các neutrino vũ trụ, các nhà nghiên cứu phải xác định những sự kiện được chọn lọc, trong đó neutrino đã tương tác với băng. Ngay cả khi không thể hoàn toàn chắc chắn rằng một neutrino riêng lẻ có nguồn gốc bên ngoài Trái Đất, họ vẫn có thể xem xét toàn bộ các sự kiện được chọn và kiểm tra xem xét tổng thể các đặc tính của chúng có phù hợp với những gì dự kiến đối với neutrino vũ trụ hay không, đồng thời khác biệt với neutrino khí quyển hay không. Năm 2013, nhóm nghiên cứu công bố bằng chứng đầu tiên ủng hộ kết luận rằng họ thực sự đã phát hiện được neutrino vũ trụ. Vài năm sau, họ đã thu thập đủ lượng dữ liệu để có thể chắc chắn về phát hiện này.

 

Các nhà nghiên cứu hy vọng khám phá điều gì qua các neutrino từ vũ trụ?

Thiên văn học neutrino bắt đầu ở quy mô nhỏ từ những năm 1960, khi Raymond Davis Jr. quan sát được các neutrino đến từ Mặt Trời. Phát hiện này sau đó được nhóm nghiên cứu tại Đài quan sát neutrino Kamiokande ở Nhật Bản, do Masatoshi Koshiba dẫn đầu, xác nhận. Họ đã có thể xác định đường đi của các neutrino và truy tìm nguồn gốc của chúng.

Năm 1987, Kamiokande ghi nhận một trận neutrino dồn dập có thể liên hệ với một ngôi sao phát nổ – một vụ siêu tân tinh – trong Đám mây Magellan Lớn, thiên hà láng giềng của chúng ta. Phát hiện này nhanh chóng được bổ sung bằng các phép đo neutrino được tiến hành đồng thời tại Mỹ và Liên Xô.

Raymond Davis Jr. và Masatoshi Koshiba được trao Giải Nobel Vật lý năm 2002 cho những đột phá này, qua đó chứng minh rằng neutrino có thể được sử dụng để nghiên cứu các hiện tượng trong không gian.

Tuy nhiên, vẫn còn một vấn đề: số neutrino mà Raymond Davis Jr. ghi nhận chỉ bằng khoảng một phần ba số lượng được dự đoán từ các tính toán về những phản ứng lẽ ra phải xảy ra trong Mặt Trời. Nguyên nhân sau đó được phát hiện có liên quan đến việc neutrino tồn tại dưới ba loại. Các nhà vật lý phát hiện rằng neutrino có thể “biến đổi hình dạng”, nghĩa là một neutrino được tạo ra dưới một loại có thể đến thiết bị đo trên Trái Đất dưới một loại khác – và để quan sát những neutrino đã biến đổi này cần một kỹ thuật khác với kỹ thuật mà Raymond Davis Jr. đã sử dụng.

Bản chất biến đổi của neutrino được làm sáng tỏ qua các thí nghiệm tại Nhật Bản và Canada, và Giải Nobel Vật lý năm 2015 được trao cho Takaaki Kajita và Arthur B. McDonald vì phát hiện này.

 

© Johan Jarnestad/Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, được Việt hóa (Credit: ChatGPT)

 

Như vậy, neutrino đã giúp các nhà vật lý xác nhận các mô hình về những quá trình diễn ra bên trong Mặt Trời cũng như những gì xảy ra trong một vụ siêu tân tinh. Ý tưởng đằng sau IceCube là đưa thiên văn học neutrino lên một tầm cao mới, với hy vọng rằng neutrino sẽ cung cấp thông tin về những hiện tượng bị che khuất sau các đám mây bụi, hoặc về những vật thể ở xa đến mức các dạng bức xạ khác đã biến mất trên hành trình truyền đến chúng ta. Mục tiêu là thu nhận những tri thức mà không thể có được bằng bất kỳ phương pháp nào khác.

So với proton, neutrino có ưu điểm là không mang điện tích. Đường đi của các proton mang điện trong không gian bị bẻ cong bởi những từ trường mà chúng đi qua, khiến không thể suy ra nguồn gốc của chúng bằng cách lần theo hướng chuyển động. Tuy nhiên, các quá trình gia tốc proton cũng đồng thời tạo ra neutrino. Vì neutrino không bị ảnh hưởng bởi từ trường, về nguyên tắc có thể xác định nơi các proton tia vũ trụ được gia tốc bằng cách lần ngược theo hướng truyền của những neutrino có năng lượng cao nhất.

Một loại “sứ giả” khác đến từ những quá trình dữ dội nhất trong vũ trụ là bức xạ gamma. Loại bức xạ này cũng suy giảm khi tương tác với ánh sáng và vật chất trong hành trình xuyên qua không gian, trong khi neutrino không bị ảnh hưởng bởi những tương tác đó.

 

Nhiều kết quả mới đang được kỳ vọng

Một mục tiêu quan trọng là xác định từng nguồn neutrino riêng lẻ trong vũ trụ. IceCube đã phát hiện một số nguồn tiềm năng, trong đó có thiên hà hoạt động NGC 1068 (còn gọi là M77). Trong số các neutrino được IceCube ghi nhận, 79 neutrino dường như đến từ hướng của thiên hà này. Tuy nhiên, bằng chứng hiện vẫn chưa đủ chắc chắn để khẳng định NGC 1068 là một nguồn neutrino; càng nhiều neutrino được các cảm biến ghi nhận, khả năng xác định được nguồn gốc của chúng càng cao.

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đứng sau IceCube cũng đã quan sát được những neutrino năng lượng cao đến từ chính thiên hà của chúng ta, Ngân Hà. Họ cho rằng những neutrino này được tạo ra khi bức xạ vũ trụ va chạm với các nguyên tử trong lớp khí loãng nằm giữa các ngôi sao.

Chắc chắn chúng ta sẽ còn nghe nhiều về thiên văn học neutrino trong những năm tới, khi các nhóm nghiên cứu khác tiếp bước con đường mà IceCube đã mở ra. Hiện có một số đài thiên văn neutrino khác đang được phát triển ở Bắc bán cầu, nhưng sử dụng nước thay vì băng. Dự án đã truyền cảm hứng cho Francis Halzen vào những năm 1980, DUMAND, kết thúc vào năm 1995 – nhưng những bài học từ dự án này vẫn được tiếp nối trong nhiều dự án khác, chẳng hạn tại hồ Baikal, Địa Trung Hải, Biển Đông và ngoài khơi bờ biển phía tây Canada. Trong khi đó, IceCube vẫn tiếp tục ghi nhận neutrino. Kế hoạch mở rộng tiếp theo tại Nam Cực hiện đang được triển khai, với IceCube-Gen2 dự kiến sử dụng một khối băng có thể tích đáng kinh ngạc lên tới 8 km³.

Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã quyết định trao Giải Nobel Vật lý năm 2026 cho

FRANCIS HALZEN

Sinh năm 1944 tại Tienen, Bỉ. Nhận bằng tiến sĩ năm 1969 tại Đại học KU Leuven, Bỉ. Giáo sư tại Đại học Wisconsin–Madison, Hoa Kỳ.

“Vì những đóng góp mang tính quyết định cho Đài thiên văn Neutrino IceCube và việc phát hiện các neutrino năng lượng cao có nguồn gốc thiên văn vật lý.”

 

🤔.  Suy ngẫm chậm

✪

Hạt neutrino được Pauli đề xuất từ năm 1930. Bằng thực nghiệm, C. Cowan và F. Reines phát hiện ra hạt này từ năm 1956. Sau đấy L.M. Lederman, M. Schwartz và J. Steinberger phát hiện ra hạt “muon”. Ngày nay, người ta biết rằng hạt neutrino có 3 “flavour” tương ứng với 3 trạng thái chồng chập (superposition – trong thuyết lượng tử). Năm 2015, giải Nobel Vật lý đã được trao cho T. Kajita và A.B. McDonald vì “việc khám phá ra hiện tượng dao động neutrino, cho thấy neutrino có khối lượng” (nguồn). Đọc mới thấy hạt neutrino được phát hiện từ lâu rồi và đã có khá nhiều giải Nobel được trao liên quan đến hạt này. 😊

✪

Nếu tò mò muốn hiểu sâu về IceCube thì anh/chị có thể tham khảo phần Phụ lục (trên trang Blog). Một cách văn tắt: neutrino không được “đo” trực tiếp. Khi tương tác với băng, chúng có thể tạo ra các hạt thứ cấp mang điện. Những hạt này sau đó phát ra ánh sáng Cherenkov khi di chuyển trong băng với tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng truyền trong chính môi trường băng đó. Các cảm biến của IceCube thu nhận ánh sáng này, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu số và gắn dấu thời gian cho từng tín hiệu. Tức là người ta quan sát gián tiếp chứ không phải trực tiếp.

✪

Dữ liệu từ IceCube được xử lý như thế nào? Một cách vắn tắt:

·       Khi tia vũ trụ neutrino hoặc muon tương tác với băng, chúng tạo ra các hạt thứ cấp mang điện, phát ra ánh sáng Cherenkov màu xanh lam.

·       Người ta số hóa các tín hiệu ánh sáng này và gắn dấu thời gian

·       Truyền dữ liệu lên phòng thí nghiệm IceCube (ICL): dữ liệu từ dưới khối băng (IceCube) được truyền lên một trung tâm máy tính đặt trên bề mặt.

·       Lọc dữ liệu theo thời gian thực tại ICL

·       Truyền dữ liệu qua vệ tinh: 100 GB/ngày

·       100 GB dữ liệu ưu tiên hàng ngày này được truyền qua vệ tinh đến Trung tâm Vật lý Thiên văn Hạt IceCube Wisconsin (WIPAC) đặt tại Đại học Wisconsin–Madison, Hoa Kỳ.

·       Tái tạo:

o   Lấy dữ liệu từ WIPAC: chuyển đổi các mô hình ánh sáng thành dữ liệu tiết lộ hướng, năng lượng và "hương" (flavor) của các hạt.

o   Công cụ để tái tạo: các mô hình Machine Learning như CNN, GNN, Transformer; kết hợp với công cụ IceProd.

·       Sau bước tái tạo, dữ liệu được đóng gói thành các phiên bản công khai—chẳng hạn như bộ dữ liệu IceTracks-DR2—và được cung cấp cho cộng đồng vật lý toàn cầu để cùng phân tích các hiện tượng vũ trụ.

~

Hành trình dữ liệu: [Cảm biến] → [ICL (lọc nhiễu)] → [Truyền qua vệ tinh] → [WIPAC (tái tạo)] → [Cộng đồng vật lý toàn cầu].

 

Cuối cùng, mời anh/chị thưởng thức một tách cà phê với ba hương vị của vũ trụ.

Credit: ChatGPT

Chúc anh/chị đọc vui nhã

LeVanLoi

~~~

Phụ lục

Bộ dò

IceCube, đài quan sát neutrino tại Nam Cực, là một máy dò hạt có thể tích một kilômét khối, sử dụng băng Nam Cực làm môi trường phát hiện và nằm gần Trạm Nam Cực Amundsen–Scott. Hệ thống được lắp đặt bên dưới bề mặt băng, kéo dài đến độ sâu khoảng 2.500 mét. Mạng lưới máy dò trên bề mặt mang tên IceTop và hệ thống máy dò phụ bên trong có mật độ cảm biến dày hơn, mang tên DeepCore, giúp nâng cao đáng kể năng lực của đài quan sát, biến IceCube thành một cơ sở nghiên cứu đa mục đích.

Hình được Việt hóa từ nguồn (credit: ChatGPT)

 

IceCube là máy dò neutrino quy mô gigaton đầu tiên từng được xây dựng, chủ yếu được thiết kế để quan sát neutrino đến từ những nguồn thiên văn vật lý dữ dội nhất trong vũ trụ. Neutrino là những hạt có khối lượng gần như bằng không và không mang điện tích. Chúng có thể truyền từ nguồn phát đến Trái Đất mà hầu như không bị suy giảm cường độ và không bị lệch hướng bởi các từ trường.

Phần IceCube nằm trong băng bao gồm 5.160 mô-đun quang học số hóa (DOM), mỗi mô-đun được trang bị một ống nhân quang có đường kính 10 inch cùng các linh kiện điện tử đi kèm. Các DOM được gắn dọc theo những sợi cáp thẳng đứng, sau đó được đóng băng cố định trong 86 lỗ khoan, phân bố trên một thể tích băng hình lập phương rộng một kilômét khối, ở độ sâu từ 1.450 đến 2.450 mét. Các sợi cáp được bố trí theo mạng lưới lục giác, với khoảng cách 125 mét giữa các sợi; mỗi sợi mang 60 DOM. Khoảng cách theo phương thẳng đứng giữa các DOM là 17 mét.

Tám sợi cáp nằm ở trung tâm mạng lưới được lắp đặt với mật độ dày hơn, khoảng cách theo phương ngang chỉ khoảng 70 mét và khoảng cách theo phương thẳng đứng giữa các DOM là 7 mét. Cấu hình dày đặc hơn này tạo thành hệ thống máy dò phụ DeepCore, giúp hạ ngưỡng năng lượng neutrino xuống khoảng 10 GeV, qua đó mở ra cơ hội nghiên cứu hiện tượng dao động neutrino.

Hình được Việt hóa từ nguồn (credit: ChatGPT)

 

IceTop bao gồm 81 trạm, mỗi trạm được đặt phía trên một sợi cáp IceCube tương ứng. Mỗi trạm có hai bể, mỗi bể được trang bị hai mô-đun quang học số hóa (DOM) hướng xuống dưới. IceTop được xây dựng nhằm phục vụ vai trò máy dò loại trừ (veto) và hiệu chuẩn cho IceCube, đồng thời còn phát hiện các trận mưa rào khí quyển do tia vũ trụ sơ cấp gây ra, trong dải năng lượng từ 300 TeV đến 1 EeV. Mạng lưới máy dò trên bề mặt này đo hướng đến của tia vũ trụ ở Nam bán cầu, cũng như thông lượng và thành phần của tia vũ trụ.

Sự phát triển của ngành thiên văn học neutrino được thúc đẩy bởi nỗ lực tìm kiếm các nguồn phát tia vũ trụ. Ngay từ giai đoạn đầu, những nỗ lực này đã dẫn đến ý tưởng xây dựng một máy dò neutrino có thể tích một kilômét khối. Tia vũ trụ, chủ yếu gồm các proton, là những hạt có năng lượng cao nhất từng được quan sát, với mức năng lượng lớn hơn một triệu lần so với năng lượng mà các máy gia tốc hạt hiện nay trên Trái Đất đạt được.

AMANDA (Mạng lưới máy dò Muon và Neutrino Nam Cực) được xây dựng vào giữa thập niên 1990 nhằm kiểm chứng tính khả thi của ý tưởng này. Thí nghiệm đã chứng minh rằng lớp băng Nam Cực cực kỳ trong suốt rất thích hợp để phát hiện các neutrino năng lượng cao. IceCube, máy dò neutrino quy mô một kilômét khối duy nhất được xây dựng cho đến nay, đã hoàn thành vào tháng 12 năm 2010, chỉ sáu năm sau khi sợi cáp đầu tiên được triển khai tại Nam Cực.

Hình được Việt hóa từ nguồn (credit: ChatGPT)

 

Neutrino không được quan sát trực tiếp. Tuy nhiên, khi tương tác với băng, chúng có thể tạo ra các hạt thứ cấp mang điện. Những hạt này sau đó phát ra ánh sáng Cherenkov khi di chuyển trong băng với tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng truyền trong chính môi trường băng đó.

Các cảm biến của IceCube thu nhận ánh sáng này, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu số và gắn dấu thời gian cho từng tín hiệu. Thông tin được truyền đến các máy tính đặt tại Phòng thí nghiệm IceCube trên bề mặt. Tại đây, dữ liệu từ từng mô-đun quang học số hóa (DOM) được chuyển thành các dạng phân bố ánh sáng, qua đó cho phép xác định hướng chuyển động và năng lượng của muon cũng như neutrino.

Đài quan sát Neutrino IceCube được xây dựng nhờ khoản tài trợ của Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NSF) thuộc chương trình xây dựng các cơ sở và thiết bị nghiên cứu quy mô lớn, cùng sự hỗ trợ từ các cơ quan tài trợ đối tác trên khắp thế giới. Văn phòng Chương trình Vùng Cực của NSF hỗ trợ dự án thông qua khoản tài trợ cho công tác bảo trì và vận hành (M&O). Đại học Wisconsin–Madison là cơ sở chủ trì, điều phối hoạt động thu thập dữ liệu cũng như công tác bảo trì và vận hành. Hợp tác IceCube quốc tế, với sự tham gia của hơn 40 cơ sở nghiên cứu trên toàn thế giới, chịu trách nhiệm triển khai chương trình nghiên cứu khoa học.

 

Thi công

Ngày 18 tháng 12 năm 2010, ngay sau 6 giờ tối theo giờ New Zealand, sợi cáp cuối cùng trong tổng số 86 sợi cáp của IceCube đã được hạ xuống lớp băng Nam Cực. Sau bảy mùa hè ở Nam bán cầu dành cho công tác xây dựng, dự án IceCube chính thức hoàn thành, đúng một thập kỷ sau khi nhóm hợp tác đệ trình đề xuất xây dựng đài quan sát.

Hình được Việt hóa từ nguồn (credit: ChatGPT)

 

Các đội ngũ chuyên trách đã sử dụng phương pháp làm tan băng để tạo những lỗ khoan có đường kính 60 cm, sâu tới 2.450 mét, sau đó triển khai các cảm biến và đưa các sợi cáp máy dò vào hoạt động. Công việc này được tiến hành hằng năm từ tháng 11 đến tháng 2, trong giai đoạn 2004–2011. Trung bình, các chuyên gia triển khai cần 11 giờ để kết nối chính xác các cảm biến với cáp và hạ chúng xuống những lỗ khoan chứa đầy nước; các lỗ khoan này cuối cùng sẽ đóng băng trở lại. Trong bảy mùa triển khai, tổng cộng 86 lỗ khoan đã được tạo và lắp đặt thiết bị đo.

DrillAnimation

Máy khoan được thiết kế bởi dự án IceCube và chế tạo tại Phòng thí nghiệm Khoa học Vật lý thuộc Đại học Wisconsin (UW Physical Sciences Lab). Hệ thống ống dẫn chịu áp suất cao và vòi phun đưa nước nóng vào băng, làm tan băng với tốc độ kỷ lục, khoảng 2 mét mỗi phút, cho đến độ sâu 2.450 mét.

Một máy khoan riêng biệt cũng được thiết kế và đưa vào sử dụng để xuyên qua lớp firn — lớp tuyết nén chặt ở phần trên cùng, dày khoảng 50 mét, nơi phương pháp khoan bằng nước nóng không đạt hiệu quả cao.

Kết hợp với nhau, hai hệ thống khoan có thể liên tục tạo ra những lỗ khoan gần như thẳng đứng hoàn hảo, sẵn sàng để lắp đặt thiết bị đo, với tốc độ trung bình một lỗ khoan mỗi hai ngày.

Cuộn ống dẫn ở phía trước, bên phải, chứa 2.500 mét ống chịu áp suất cao, đường kính 10 cm, phục vụ công tác khoan.

Nguồn ảnh: J. Haugen/NSF

Do nước bắt đầu đóng băng gần như ngay lập tức, các cảm biến của IceCube được triển khai nhanh chóng ngay sau khi hoàn tất công tác khoan. Sau khi quá trình đóng băng trở lại kết thúc và hệ thống ổn định trong khoảng vài tuần, tỷ lệ hỏng hóc của các thiết bị đo duy trì ở mức cực thấp: hiện chỉ có chưa đến 100 trong tổng số khoảng 5.500 cảm biến không còn hoạt động.

Hình được Việt hóa từ nguồn (credit: ChatGPT)

Các cảm biến của IceCube, được phát triển với những đóng góp chủ chốt từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, DESY-Zeuthen và Đại học Wisconsin–Madison (UW–Madison), đã được sản xuất và kiểm định tại các trường đại học ở Stockholm và Uppsala (Thụy Điển), cơ sở DESY-Zeuthen (Đức) và Phòng thí nghiệm Khoa học Vật lý ở Stoughton, bang Wisconsin (Hoa Kỳ). Mỗi sợi cáp cảm biến được gắn với một chủ đề chung; thay vì sử dụng hệ thống đánh số, mỗi cảm biến được triển khai đều có một tên riêng, giúp việc nhận diện trở nên hiệu quả hơn.

Việc xây dựng IceCube là một thành tựu kỹ thuật phi thường. Dự án hoàn thành đúng tiến độ, không vượt ngân sách và có hiệu năng vượt xa đáng kể các thông số kỹ thuật đặt ra ban đầu. Đây là minh chứng cho sự kiên trì và tận tâm của các nhà vật lý, kỹ sư và kỹ thuật viên — những người đã vượt qua vô số thách thức để xây dựng và vận hành một máy dò trong môi trường vô cùng khắc nghiệt như vậy.

Tổng chi phí xây dựng là 279 triệu USD. Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NSF) đóng góp khoảng 242 triệu USD; phần kinh phí còn lại đến từ các cơ quan tài trợ trong và ngoài Hoa Kỳ.