Tháng 9/2011, thí nghiệm OPERA ở Ý công bố rằng các hạt neutrino bắn từ CERN tới phòng thí nghiệm Gran Sasso đến sớm hơn ánh sáng khoảng 60 nanogiây. Nếu đúng, thuyết tương đối của Einstein sẽ phải viết lại. Đầu năm 2012, chính nhóm OPERA tìm ra thủ phạm: một đầu nối cáp quang lắp chưa chặt trong hệ thống đồng hồ, cùng một bộ dao động đồng hồ lệch chuẩn. Đo lại, neutrino đi đúng tốc độ ánh sáng như vật lý đã dự đoán.
Bắn neutrino xuyên lòng đất 730 km
Neutrino là hạt cơ bản gần như không tương tác với vật chất, xuyên qua cả hành tinh mà hầu như không bị cản. Các nhà vật lý châu Âu tận dụng đặc điểm này để làm thí nghiệm CNGS: máy gia tốc ở CERN, gần Geneva (Thuỵ Sĩ), tạo ra một chùm neutrino hướng xuống lòng đất về phía nam. Chùm hạt đi thẳng xuyên qua vỏ Trái Đất, không cần đường hầm, tới Phòng thí nghiệm Quốc gia Gran Sasso nằm dưới một khối núi ở miền trung nước Ý, cách khoảng 730 km.
Mục tiêu chính của OPERA không phải đo tốc độ. Nhóm muốn quan sát neutrino "đổi dạng" trên đường đi, một hiện tượng gọi là dao động neutrino. Đo thời gian bay chỉ là phép đo phụ, nhưng vì có sẵn số liệu nên nhóm phân tích luôn.
Ánh sáng đi quãng đường 730 km mất khoảng 2,4 phần nghìn giây. Muốn so neutrino với ánh sáng, người ta phải biết khoảng cách giữa hai điểm với sai số vài chục centimet và thời điểm xuất phát, thời điểm tới với sai số vài nanogiây. Đó là một kỳ công đo đạc: dùng GPS để định vị hai đầu và đồng bộ hai đồng hồ cách nhau hàng trăm cây số, rồi dẫn tín hiệu thời gian từ mặt đất xuống phòng thí nghiệm sâu trong núi bằng cáp quang dài hàng km.
Kết quả gây sốc: sớm 60 nanogiây
Phân tích hàng chục nghìn sự kiện neutrino thu được trong ba năm, nhóm OPERA thấy neutrino đến sớm hơn dự kiến khoảng 60 nanogiây. Nói cách khác, chúng đi nhanh hơn ánh sáng chừng 25 phần triệu. Con số nghe nhỏ, nhưng ánh sáng đi được khoảng 18 mét trong 60 nanogiây, lớn hơn rất nhiều so với sai số đo khoảng cách. Về mặt thống kê, kết quả đạt mức 6 sigma, vượt ngưỡng 5 sigma mà giới vật lý hạt thường dùng để tuyên bố một phát hiện.
Điều đáng chú ý là cách nhóm công bố. Ngày 23/9/2011, OPERA trình bày tại một hội thảo ở CERN và đưa bài lên kho tiền ấn phẩm arXiv. Họ không nói "chúng tôi đã lật đổ Einstein". Họ nói rằng đã tìm mãi không ra lỗi, và mời cộng đồng giúp tìm. Đây là một lời mời kiểm chứng, không phải một tuyên bố chiến thắng.
Vì sao giới vật lý gần như chắc chắn có lỗi
Ngay khi kết quả được công bố, phần lớn nhà vật lý nghĩ rằng có sai sót ở đâu đó. Không phải vì bảo thủ, mà vì có những bằng chứng độc lập rất mạnh.
Siêu tân tinh 1987A
Tháng 2/1987, một ngôi sao nổ thành siêu tân tinh trong Đám mây Magellan Lớn, cách Trái Đất khoảng 168.000 năm ánh sáng. Ba máy dò neutrino trên thế giới bắt được một loạt neutrino từ vụ nổ, đến trước ánh sáng chỉ vài giờ, đúng như mô hình dự đoán (neutrino thoát ra khỏi lõi sao sớm hơn ánh sáng). Nếu neutrino nhanh hơn ánh sáng 25 phần triệu như OPERA đo, sau 168.000 năm chúng phải đến sớm hơn khoảng bốn năm. Neutrino từ siêu tân tinh có năng lượng thấp hơn neutrino của OPERA, nên đây chưa phải bác bỏ tuyệt đối, nhưng là một dấu hiệu đáng ngờ rất lớn.
Mâu thuẫn lý thuyết
Ngay sau công bố, các nhà lý thuyết chỉ ra rằng nếu neutrino thật sự đi nhanh như vậy, chúng sẽ mất năng lượng trên đường bằng cách phát ra cặp hạt, và phổ năng lượng tới Gran Sasso phải khác đi. Thí nghiệm ICARUS đặt cạnh OPERA kiểm tra và không thấy hiện tượng đó.
Đi tìm lỗi: đầu nối cáp quang và chiếc đồng hồ
Tháng 11/2011, OPERA làm lại phép đo với chùm hạt được chia thành các xung cực ngắn, loại bỏ một số nguồn sai số thống kê. Kết quả vẫn sớm khoảng 60 nanogiây. Như vậy lỗi, nếu có, nằm ở hệ thống thiết bị chứ không ở cách phân tích.
Tháng 2/2012, nhóm thông báo đã tìm thấy hai vấn đề trong chuỗi đo thời gian:
- Đầu nối cáp quang lỏng. Sợi cáp quang dẫn tín hiệu thời gian từ bộ thu GPS tới đồng hồ chính của thí nghiệm có một đầu nối không được vặn chặt hoàn toàn. Ánh sáng đi qua chỗ hở bị suy yếu, khiến mạch điện tử nhận tín hiệu muộn hơn. Hậu quả là thời điểm neutrino tới bị ghi sớm hơn thực tế, đủ để tạo ra phần lớn con số 60 nanogiây.
- Bộ dao động đồng hồ lệch chuẩn. Một bộ dao động dùng để đánh dấu thời gian chạy hơi sai tần số, gây sai số theo chiều ngược lại, nhỏ hơn.
Để kiểm chứng, nhóm dùng tia vũ trụ: những hạt muon từ khí quyển xuyên qua núi, đi qua cả máy dò OPERA và một máy dò khác bên cạnh. So thời gian ghi nhận của hai máy theo từng giai đoạn, họ thấy một độ lệch xuất hiện ở đúng những khoảng thời gian trùng với giai đoạn đo neutrino, phù hợp với giả thuyết về đầu nối.
Mốc thời gian
| Thời điểm | Sự kiện |
|---|---|
| 2009–2011 | OPERA thu số liệu neutrino từ chùm CNGS |
| 23/9/2011 | Công bố neutrino đến sớm khoảng 60 ns, mời cộng đồng tìm lỗi |
| Tháng 11/2011 | Đo lại với chùm xung ngắn, kết quả không đổi |
| Tháng 2/2012 | Thông báo phát hiện đầu nối cáp quang lỏng và bộ dao động lệch |
| Tháng 3/2012 | ICARUS đo độc lập: tốc độ neutrino phù hợp với tốc độ ánh sáng |
| Tháng 5–6/2012 | Bốn thí nghiệm ở Gran Sasso, gồm cả OPERA sau khi sửa, đo lại và đều cho kết quả phù hợp với tốc độ ánh sáng |
Sigma cao vẫn có thể sai
Bài học kỹ thuật quan trọng nhất của OPERA là phân biệt hai loại sai số:
- Sai số thống kê đến từ việc chỉ có một số lượng sự kiện hữu hạn. Thu thêm số liệu thì sai số này giảm.
- Sai số hệ thống đến từ thiết bị hoặc phương pháp lệch một cách nhất quán. Thu thêm bao nhiêu số liệu cũng không giảm, vì lỗi lặp lại ở mọi lần đo.
Mức 6 sigma của OPERA chỉ cho biết độ lệch không phải do may rủi thống kê. Nó không nói gì về một sợi cáp lỏng. Đây là lý do giới vật lý luôn đòi hỏi kiểm chứng bằng một thí nghiệm độc lập, với thiết bị khác, nhóm người khác. Khi ICARUS và các thí nghiệm khác ở Gran Sasso đo lại, câu chuyện khép lại.
Góc nhìn hôm nay: công bố để được kiểm tra
Câu chuyện OPERA có một kết thúc buồn cho vài cá nhân: sau sự cố, ban lãnh đạo nhóm có thay đổi. Nhưng nhiều nhà khoa học đánh giá cách công bố của OPERA là đúng tinh thần. Họ đã kiểm tra nội bộ trong nhiều tháng, không tìm ra lỗi, nên đưa số liệu ra để cả cộng đồng soi. Chỉ trong khoảng tám tháng, lỗi được tìm thấy và kết quả được đính chính công khai.
Với người đọc tin khoa học, có vài điều mang về:
- Đọc kỹ cách nhóm nghiên cứu tự mô tả kết quả. "Chúng tôi không tìm ra lỗi" khác rất xa "chúng tôi đã chứng minh".
- Một kết quả phá vỡ định luật đã kiểm chứng hàng triệu lần thì khả năng cao là lỗi đo. Không phải không thể, nhưng cần thí nghiệm độc lập xác nhận.
- Chờ phép đo thứ hai. Tin "khoa học lật ngược" hãy để vài tháng rồi tìm lại xem đã có ai làm lại chưa.
Muốn tìm hiểu thêm, trang của CERN và của Phòng thí nghiệm Quốc gia Gran Sasso (LNGS) có tư liệu về thí nghiệm CNGS và các máy dò dưới núi.
Câu hỏi thường gặp
Neutrino có nhanh hơn ánh sáng không?
Không. Kết quả OPERA năm 2011 cho thấy neutrino đến sớm khoảng 60 nanogiây, nhưng năm 2012 nhóm phát hiện lỗi thiết bị. Các phép đo lại ở Gran Sasso đều cho thấy neutrino đi với tốc độ phù hợp với tốc độ ánh sáng.
Lỗi của thí nghiệm OPERA là gì?
Chủ yếu là một đầu nối cáp quang chưa được vặn chặt, nằm trên đường dẫn tín hiệu thời gian từ bộ thu GPS tới đồng hồ chính. Ngoài ra còn một bộ dao động đồng hồ lệch chuẩn gây sai số nhỏ hơn theo chiều ngược lại.
OPERA đo neutrino từ đâu tới đâu?
Chùm neutrino được tạo ở CERN gần Geneva, đi xuyên lòng đất khoảng 730 km tới Phòng thí nghiệm Quốc gia Gran Sasso nằm dưới núi ở miền trung nước Ý.
Vì sao kết quả 6 sigma mà vẫn sai?
Sigma chỉ đo khả năng kết quả là do may rủi thống kê. Nó không bao gồm sai số hệ thống, tức lỗi thiết bị lặp lại ở mọi lần đo, như một đầu nối cáp lỏng. Vì vậy cần thí nghiệm độc lập để xác nhận.
Nếu neutrino nhanh hơn ánh sáng thì sao?
Thuyết tương đối hẹp, nền tảng của vật lý hiện đại đã được kiểm chứng vô số lần, sẽ phải sửa đổi sâu. Chính vì hệ quả lớn như vậy mà giới khoa học đòi bằng chứng độc lập, và bằng chứng đó đã cho thấy neutrino không vượt tốc độ ánh sáng.
