Vào những năm 1980, nhà vật lý người Nhật Masatoshi Koshiba đã dẫn dắt việc xây dựng một máy dò hạt neutrino khổng lồ nằm sâu 1.000m dưới lòng đất, trong một mỏ chì và kẽm ở Hida, tỉnh Gifu, Nhật Bản. Chỉ sau một năm, công trình này đã hoàn thành. Máy dò có dạng hình trụ với chiều cao 16m và đường kính 15,6m, chứa 3.000 tấn nước và được trang bị 1.000 ống nhân quang – loại đèn điện tử dùng để khuếch đại dòng photon yếu.
Mục tiêu ban đầu của dự án là giải quyết vấn đề "phân rã proton" trong vật lý hạt. Tuy nhiên, máy dò vẫn chưa thể xác định được nguyên nhân của hiện tượng này. Điều bất ngờ là dự án đã phát hiện ra các hạt neutrino đến từ mặt trời, mở ra những khám phá mới trong lĩnh vực vật lý thiên văn.
Nhà vật lý thiên văn Neil deGrasse bên trong đài quan sát Super-K. Ảnh: National Geographic.
Neutrino là một trong những hạt cơ bản nhất tạo nên thế giới tự nhiên, và được giới vật lý ví như "hạt ma" bởi khả năng đặc biệt của chúng: xuyên qua cả vũ trụ, bầu khí quyển và Trái Đất mà hầu như không hề tương tác với vật chất thông thường. Việc nghiên cứu hạt neutrino không chỉ giúp các nhà khoa học phát hiện những ngôi sao đang trong giai đoạn cuối đời mà còn mở ra những hiểu biết sâu sắc hơn về vũ trụ.
Neutrino khó phát hiện đến mức nhà vật lý thiên văn Neil deGrasse Tyson đã gọi chúng là "mồi săn giỏi ẩn náu nhất trong vũ trụ." Ông giải thích rằng, để phát hiện được những hạt này, các đài quan sát phải nằm sâu trong lòng đất nhằm loại bỏ sự xâm nhập của các hạt khác. "Vật chất không là rào cản đối với hạt neutrino. Chúng có thể xuyên qua một lớp thép dày 100 năm ánh sáng mà không hề giảm tốc độ," deGrasse nói.
Lần đầu tiên neutrino được quan sát là vào năm 1956, trong một thí nghiệm của nhà vật lý Clyde Cowan và Frederick Reines, mang lại cho Reines giải Nobel Vật lý năm 1995. Năm 1962, ba nhà khoa học Mỹ là Leon Lederman, Melvin Schwartz, và Jack Steinberger đã phát hiện ra "muon neutrino," từ đó đoạt giải Nobel năm 1988. Tiếp theo, năm 1968, nhà khoa học người Mỹ Raymond Davis Jr. đã phát hiện ra sự thiếu hụt neutrino từ Mặt Trời, một khám phá giúp ông đoạt giải Nobel năm 2002.
Vào những năm 1990, Nhật Bản đã chi 100 triệu USD để xây dựng một máy dò neutrino lớn mang tên "Super-Kamiokande" (gọi tắt là Super-K). Máy dò này chứa 50.000 tấn nước siêu tinh khiết, và chính thức đi vào hoạt động từ năm 1996, đưa khả năng quan sát neutrino lên một tầm cao mới.
Super-K không chỉ bắt giữ các hạt neutrino từ vũ trụ mà còn đón chùm hạt neutrino bay km xuyên qua lòng Trái Đất từ thí nghiệm T2K ở Tokai. Việc nghiên cứu cách neutrino thay đổi, hay "dao động," khi chúng đi qua vật chất có thể hé lộ những bí ẩn về nguồn gốc của vũ trụ, chẳng hạn như mối quan hệ giữa vật chất và phản vật chất.
Để ánh sáng từ sóng xung kích có thể chạm tới các cảm biến, nước trong Super-K phải sạch tuyệt đối. Nước ở đây liên tục được tinh lọc và khử trùng bằng tia UV để tiêu diệt mọi vi khuẩn. Vì lý do này, Super-K chứa đến 50.000 tấn nước siêu tinh khiết.
"Nước siêu tinh khiết có khả năng hòa tan mọi thứ ngâm trong nó. Đó là một chất rất đáng sợ, mang tính chất vừa của axit vừa của kiềm. Nếu bạn nhúng tay vào nước siêu tinh khiết trong Super-K, bạn sẽ bị tróc da," nhà khoa học Mark Wascko tiết lộ. Khi cần bảo dưỡng Super-K, các nhà nghiên cứu phải chèo thuyền cao su nhỏ để lắp đặt và thay thế các cảm biến.
Tốc độ khám phá neutrino của con người không ngừng tiến triển. Vào tháng 2 năm 1987, tàu thăm dò đã phát hiện ra các hạt neutrino sinh ra từ vụ nổ siêu tân tinh Đám mây Magellan lớn 1987A. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học bắt gặp neutrino được tạo ra từ các thiên thể ngoài hệ Mặt trời, đánh dấu một cột mốc quan trọng trong hành trình nghiên cứu vũ trụ.
Năm 1998, Masatoshi Koshiba, người sáng lập dự án, đã công bố một thành tựu đột phá. Ông không chỉ cung cấp bằng chứng thuyết phục về "dao động neutrino" mà còn chứng minh rằng neutrino có khối lượng. Khám phá này đã mang về cho ông Giải thưởng Vật lý vào năm 2002, và các cộng sự của ông cũng được vinh danh với giải Nobel nhờ nghiên cứu về neutrino.
Có thể nói, 50.000 tấn nước siêu tinh khiết được chôn sâu 1.000 mét dưới lòng đất Nhật Bản đã trở thành "cái nôi" của giải Nobel trong lĩnh vực khám phá neutrino. Với bước tiến vượt bậc này, Nhật Bản đã vươn lên dẫn đầu thế giới, khiến các quốc gia khác phải chật vật mới có thể bắt kịp.