Chi tiết về cấu
hình khả dĩ của cấu trúc treo ống nhân quang cho máy dò phản hạt neutrino
WATCHMAN (Ảnh: LLNL)
Kiểm soát việc phổ biến vũ khí hạt nhân là một
mối bận tâm quốc tế lớn và một khía cạnh quan trọng của điều này là khả năng
kiểm giám sát các lò phản ứng nhiệt hạch hạt nhân từ xa để đảm bảo rằng chúng
không được sử dụng cho mục đích sản xuất plutonium làm vũ khí. Việc cảm biến từ
xa này là cần thiết cả trong phạm vi ngắn để kiểm tra các lò phản ứng mà không
cần tháo cơ cấu lắp ráp thanh nhiên liệu và ở khoảng cách xa để đánh giá các lò
phản ứng trong tay các cường quốc kém thân thiện.
Một phương pháp hứa hẹn để làm việc này là sử
dụng phản hạt neutrino. Được phát hiện vào năm 1950, phản hạt neutrino là phiên
bản phản vật chất của neutrino và được sinh ra trong các phản ứng hạt nhân khi
một hạt neutrino phân hủy thành một electron, một proton và một neutrino. Giống
như neutrino, hạt phản neutrino là nhỏ nhất trong các hạt cơ bản với khối lượng
nhỏ hơn một triệu lần một electron và không có điện tích.
Một thuộc tính đáng chú ý của phản hạt neutrino
là chúng tương tác rất ít với vật chất. Trong khi một hạt anfa có thể bị một
tờ giấy chặn lại thì hạt phản neutrino có thể đi qua một tấm chì dày một năm
sáng mà thậm chí tốc độ không bị chậm lại. Thực tế, ngay tại thời điểm này, ban
đang bị dội bom với hàng tỉ hoặc hàng nghìn tỉ phản hạt neutrino mà thậm chí
không nhận ra nó.
Do đó, cố gắng dò phản hạt neutrino có vẻ như khá
vô nghĩa nhưng theo các nhà vật lý học, nếu bản lấy một bể nước cao 16 mét, có
đường kính 16 mét và pha nó với một lượng nhỏ kim loại đất hiếm gadolinium, nó
sẽ khiến các proton trong nước nhạy hơn nhiều với phản hạt neutrino. Một chiếc
bể như thế là thành phần trung tâm của máy dò WATCHMAN.
Vấn đề tiếp theo là khả năng dò các hạn phản
neutrino mong muốn được tạo ra bởi một lò phản ứng nghi ngờ. Điều này khó vì sử
dụng bể này trên bề mặt trái đất giống như lắp một chiếc kính viễn vọng giữa
một rừng cột phát sóng di động, bộ đàm, máy phát Wi-Fi và các trạm điện phụ.
Kính viễn vọng có thể vẫn hoạt động tốt nhưng bất kỳ tín hiệu nào mà nó đang
tìm kiếm đều bị át đi bởi sự giao thoa. Để giải quyết điều này, WATCHMAN được
lắp đặt trong một hầm mỏ sâu nhất ở Anh quốc.
Được vận hành bởi Tập đoàn ICL-UK /Cleveland
Potash Ltd, mỏ Boulby ban đầu được mở để khai thác cali cacbonat, polyhalite và
muối. Mỏ này vẫn làm nhiệm vụ này nhưng chức năng thứ 2 là Phòng thí nghiệm
ngầm Boulby của Hội đồng các cơ sở kế hoạch và công nghệ của Anh trong lĩnh vực
vật lý thiên thể của vật chất tối, địa chất, địa vật lý, khí hậu học và khoa học
môi trường và nghiên cứu sự sống trong các môi trường khắc nghiệt trên trái
đất và ngoài không gian. WATCHMAN dự kiến sẽ được đặt trong một hang đào tại
khu vực này và sẽ đi vào vận hành vào năm 2023.
Theo LLNL, khi hoàn thành và đi vào vận hành,
WATCHMAN sẽ được sử dụng để dò từng lò phản ứng ở một khu phức hợp lò phản ứng 2
lõi Hartlepool cách đó 25 km khi chúng bật và tắt. Các nỗ lực trước đây nhắm vào
việc dò phản hạt neutrino phải vận hành ở khoảng cách ngắn hơn nhiều.
Để dò được các phản hạt neutrino, bể nước pha
được theo dõi bằng các chất lấp lánh lỏng trong nước, cảm biến quang nhanh, bộ
gom ánh sáng và các cảm biến khác. Một mục tiêu của dự án là cải thiện độ nhạy
của các dụng cụ này, làm cho chúng có hướng hơn và ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu
loạn nền trong khi các thuật toán và kỹ thuật mới có thể tách và phân tích
tốt hơn các tín hiệu phản hạt neutrino.
LLNL cho hay WATCHMAN đã tăng 1000 lần khoảng
cách theo dõi so với công trình trước đây của phòng thí nghiệm này. Mặc dù
trọng tâm cơ bản là nhắm vào việc thực thi các hiệp ước cấm phổ biến hạt nhân
nhưng máy dò mới cũng có các ứng dụng khác như địa khoa học hay vật lý học thiên
thể.
“Về lâu về dài, các máy dò dựa trên nước kiểu
WATCHMAN có thể mang lại cho chúng ta hiểu biết mới về các thuộc tính bí ẩn
của hạt neutrino và thậm chí giúp chúng ta giải quyết được bí ẩn từ lâu về sự
bất cân xứng rất lớn giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ. Bản thân
WATCHMAN khi được giao nhiệm vụ sẽ trở thành một trong một tập hợp nhỏ các máy
dò phản neutrino trên toàn thế giới có khả năng dò các vụ nổ neutrino từ các
siêu lân tinh”, nhà vật lý học của LLNL và điều tra viên chính của AIT Adam
Bernstein cho biết.
Nhóm AIT bao gồm LLNL, Lawrence Berkeley và
Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, Cơ sở vũ khí nguyên tử Anh (AWE),
Phòng thí nghiệm ngầm Boulby, Đại học California (UC), Berkeley, UC Davis,
UC Irvine, Đại học Hawaii, Đại học bang Iowa, Đại học bang Pennsylvania,
Đại học Pennsylvania, Đại học Michigan và Đại học Sheffield.
LH (New Atlas)