Neutrino dường như nhanh hơn ánh sáng 60 nano giây. Thủ phạm là một sợi cáp quang nối không đúng cách.

15/10/2026 · VietTechies · Biên tập

Tháng 9 năm 2011, thí nghiệm OPERA công bố rằng các hạt neutrino đã đến đích sớm hơn cả ánh sáng khoảng 60 nano giây. Những hạt neutrino này được bắn đi từ CERN, phòng thí nghiệm vật lý hạt của châu Âu gần Geneva, tới máy dò của OPERA nằm dưới lòng núi Gran Sasso ở Italy. Các nhà vật lý đứng sau kết quả ấy không tuyên bố rằng Einstein đã sai. Họ mời đồng nghiệp kiểm tra lại công trình của mình.

Chín tháng sau, người ta đã lần ra nguyên nhân của điểm bất thường ấy. Đó là một bộ phận trục trặc trong chính hệ thống đo thời gian của thí nghiệm: một sợi cáp quang không được kết nối đúng cách.

Thoạt đầu, phép đo này khó mà bác bỏ. OPERA được thiết kế để bắt quả tang neutrino loại muon biến thành neutrino loại tau. Một chùm tia mang tên CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso, nghĩa là “neutrino từ CERN tới Gran Sasso”) tạo ra các neutrino loại muon ấy tại CERN, cách Gran Sasso khoảng 730 km. Neutrino xuyên qua đá gần như không bị cản trở, nên chùm tia cứ thế đi thẳng qua lớp vỏ Trái Đất. Hai đầu hành trình được bấm giờ bằng những chiếc đồng hồ đồng bộ qua vệ tinh GPS. Theo nhóm nghiên cứu, khoảng cách được xác định với sai số 20 cm, còn thời gian bay thì sai số dưới 10 nano giây.

Dữ liệu thu từ năm 2009 đến 2011, gồm hơn 15.000 sự kiện neutrino (những lần máy dò ghi nhận được hạt), cho thấy neutrino đến sớm 60,7 nano giây, với sai số thống kê 6,9 nano giây và sai số hệ thống 7,4 nano giây. Antonio Ereditato, người phát ngôn của nhóm OPERA, nói: “Kết quả này hoàn toàn bất ngờ.” Theo ông, nhóm “chưa tìm thấy bất kỳ hiệu ứng nào do thiết bị gây ra có thể giải thích kết quả đo”.

Thay vì tuyên bố đã có một khám phá, OPERA đăng bài báo lên mạng ngày 22 tháng 9 và trình bày kết quả tại một buổi hội thảo ở CERN vào hôm sau. “Buổi hội thảo hôm nay nhằm mời giới vật lý hạt nói chung cùng phản biện”, Ereditato nói. Giám đốc nghiên cứu của CERN, Sergio Bertolucci, cũng thận trọng không kém: “Nếu phép đo này được xác nhận, nó có thể thay đổi cách chúng ta nhìn nhận vật lý, nhưng chúng ta cần chắc chắn rằng không có cách giải thích nào khác, đời thường hơn.”

Giới khoa học bên ngoài nhóm OPERA có lý do để hoài nghi. Nhà thiên văn học Martin Rees chỉ ra rằng neutrino từ siêu tân tinh 1987A đã tới Trái Đất “gần như cùng lúc với vụ nổ — chứ không phải sớm hơn bốn năm”, trong khi với tốc độ mà OPERA đo được, lẽ ra chúng đã đến sớm như vậy. Ông cũng nêu một điểm cần lưu ý: neutrino từ siêu tân tinh có năng lượng thấp hơn nhiều so với neutrino của OPERA.

Chùm tia xung ngắn hơn vẫn không xóa được 60 nano giây

Phép thử nghiêm túc đầu tiên nhắm vào phương pháp đo. Bình thường, CERN bắn proton thành từng xung kéo dài 10,5 micro giây — dài hơn rất nhiều so với độ lệch 60 nano giây — nên OPERA không thể biết một hạt neutrino cụ thể sinh ra vào thời điểm nào trong xung. Thay vào đó, OPERA dùng thống kê để khớp thời điểm đến của hàng nghìn sự kiện với hình dạng của các xung proton.

Từ ngày 22 tháng 10 đến ngày 6 tháng 11 năm 2011, CERN định hình lại chùm tia thành những bó hạt dài khoảng 3 nano giây, cách nhau 524 nano giây. Giờ đây, có thể biết từng hạt neutrino sinh ra từ bó nào. OPERA ghi nhận được khoảng 20 sự kiện rõ ràng, và những neutrino này vẫn đến sớm. CERN cho biết phép thử đã loại trừ “một nguồn sai số hệ thống tiềm ẩn”. Điểm bất thường vẫn đứng vững.

Một sợi cáp quang đã làm tín hiệu chậm thêm 73,2 nano giây như thế nào

Lời giải đến từ phần ít hào nhoáng nhất của thí nghiệm. Tín hiệu thời gian GPS đi từ một máy thu đặt bên ngoài, qua một sợi cáp quang dài 8,3 km, tới đồng hồ chủ của OPERA nằm sâu trong lòng núi. Nhóm nghiên cứu đã đo độ trễ của sợi cáp này vào năm 2006 và 2007. Khi đo lại vào tháng 12 năm 2011, nhóm thấy tín hiệu mất thêm 73,2 nano giây.

Bản cuối cùng của bài báo OPERA nói thẳng nguyên nhân: “sự chênh lệch bắt nguồn từ một sợi cáp quang không được kết nối đúng cách”. Khi các mối nối được làm lại cho đúng, độ trễ lại khớp với các lần đo trước. Vì tín hiệu thời gian đến muộn hơn so với giả định của nhóm, các mốc thời gian ghi cho sự kiện bị đẩy sớm lên, khiến thời gian bay của neutrino trông ngắn hơn thực tế.

Lỗi thứ hai thì kéo về phía ngược lại. Bộ dao động bên trong đồng hồ chủ — linh kiện tạo nhịp cho đồng hồ — chạy nhanh 0,124 phần triệu. Lỗi này đẩy các mốc thời gian ghi cho sự kiện muộn đi một khoảng, tùy theo vị trí của từng sự kiện trong chu kỳ thu thập dữ liệu. Độ lệch ấy bù trừ một phần ảnh hưởng của sợi cáp, nên phải đo được cả hai lỗi thì mới hiệu chỉnh được kết quả.

Tháng 2 năm 2012, OPERA công bố hai vấn đề có thể đã ảnh hưởng đến phép đo. Sang tháng 3, ICARUS — một thí nghiệm neutrino khác đặt trong cùng phòng thí nghiệm dưới lòng đất — bấm giờ bảy hạt neutrino từ chùm tia gồm các bó hạt ngắn nói trên, và thấy thời điểm đến của bảy hạt này “phù hợp với việc tất cả các sự kiện đến cùng lúc, với cùng một tốc độ, tức tốc độ ánh sáng”. Bertolucci, giám đốc nghiên cứu của CERN, nói rằng các bằng chứng “đang bắt đầu nghiêng về khả năng kết quả của OPERA là một sai lệch do phép đo tạo ra”.

Vụ việc cũng khiến OPERA mất đi những người đứng đầu. Cuối tháng 3 năm 2012, hội đồng của nhóm OPERA tổ chức bỏ phiếu về các đề nghị bất tín nhiệm đối với người phát ngôn Ereditato và điều phối viên vật lý Dario Autiero. Các đề nghị này giành được đa số phiếu, nhưng không đạt mức hai phần ba cần thiết để bãi nhiệm. Cả hai ông đều từ chức. Hai tuần trước đó, Bertolucci từng nói thí nghiệm này đã “hành xử hoàn toàn liêm chính về mặt khoa học”.

Ngày 8 tháng 6 năm 2012, tại hội nghị Neutrino 2012 ở Kyoto, bốn thí nghiệm tại Gran Sasso — trong đó có OPERA và ICARUS — công bố rằng thời gian bay của neutrino phù hợp với tốc độ ánh sáng. Bản cuối cùng của bài báo OPERA đưa ra con số đã hiệu chỉnh, tính từ 15.223 sự kiện: neutrino đến sớm 6,5 nano giây, nhỏ hơn sai số của chính phép đo này.

Cách kể phổ biến về câu chuyện này sai ở đâu

“Các nhà khoa học tuyên bố vượt tốc độ ánh sáng.” Đó là tiêu đề bài viết của Al Jazeera ngày 22 tháng 9 năm 2011, và nhiều bản tin khác cũng đưa kết quả này theo hướng tương tự. OPERA thì trình bày kết quả như một phép đo chưa giải thích được. “Tác động tiềm tàng đối với khoa học quá lớn, nên chưa thể rút ra kết luận ngay hay thử đưa ra các diễn giải vật lý”, người phát ngôn Ereditato nói. Thông cáo công bố kết quả cũng kêu gọi tiến hành các phép đo độc lập để hiệu ứng này có thể “hoặc bị bác bỏ, hoặc được xác lập vững chắc”.

“Cáp lỏng có thể là lời giải cho hiện tượng neutrino ‘nhanh hơn ánh sáng’.” Đó là tiêu đề bài viết của tờ The Christian Science Monitor vào tháng 2 năm 2012. Dẫn nguồn từ ScienceInsider, trang tin tức của tạp chí Science, cùng các nguồn tin giấu tên của trang này, tờ Monitor viết rằng việc siết chặt mối nối đã làm thời gian tín hiệu truyền qua sợi cáp thay đổi 60 nano giây, tức bằng độ lớn của điểm bất thường. Hồ sơ sau cùng cho thấy mọi chuyện rối rắm hơn. Bản cuối cùng của bài báo OPERA mô tả sợi cáp là “không được kết nối đúng cách”, xác định mức lệch do sợi cáp gây ra là 73,2 nano giây, đồng thời ghi nhận một bộ dao động chạy nhanh đã tác động theo chiều ngược lại.

Sai sót của OPERA cho thấy gì về những phép đo gây bất ngờ

Vào ngày diễn ra hội thảo, Bertolucci của CERN đã mô tả cách phản ứng theo thông lệ: khi một thí nghiệm thu được “một kết quả có vẻ khó tin và không tìm ra được sai lệch nào do phép đo tạo ra để lý giải”, thí nghiệm ấy sẽ mời giới chuyên môn rộng rãi hơn cùng phản biện. OPERA đã làm vậy, và sự phản biện ấy đã phát huy tác dụng. Chùm tia được định hình lại đã giúp kiểm tra phương pháp đo, chính các đợt rà soát của nhóm đã tìm ra sợi cáp lỗi, và một thí nghiệm ngay bên cạnh đã đưa ra số liệu trái ngược với kết quả ban đầu trong vòng sáu tháng kể từ khi công bố.

Chỗ hỏng còn nằm ở nơi mà những người đang săn tìm vật lý mới hiếm khi để mắt tới. Chùm tia, máy dò và phần thống kê đều trụ vững. Riêng một độ trễ đo từ năm 2006 và 2007 thì không. Hệ thống đo thời gian nào trừ đi một độ trễ đo từ nhiều năm trước cũng đang mặc nhiên tin rằng đường truyền vẫn y nguyên từ đó đến nay.

Độ chênh 60 nano giây ấy là có thật. Có điều, nó nằm ở hệ thống đo thời gian, chứ không phải ở các hạt neutrino.

Bài liên quan

Đọc bằng ngôn ngữ khác: English