Các nhà vật lý học đang cố gắng thăm dò những bí ẩn của hoạt động bên trong lõi Trái Đất để dự đoán chính xác hơn các sự kiện kiến tạo như động đất, phun trào núi lửa và các dòng nham thạch... bằng cách “tóm lấy” những phân tử vật chất kì lạ.

Phần lõi của hành tinh chúng ta vẫn còn là một điều bí ẩn. Nó chiếm đến 84% khối lượng của Trái Đất nhưng hiện nay chúng ta vẫn còn biết rất ít thông tin về phần lõi này. Chúng ta không biết bên trong nó tồn tại những thứ gì, phần nhiệt năng khổng lồ mà nó tỏa ra là bao nhiêu hay sự ảnh hưởng của nó đến hoạt động kiến tạo các mảng lục địa trên bề mặt Trái Đất. Tất cả những điều đó sẽ thay đổi nhờ vào công nghệ mới giúp đo lường những phản hạt hay đối phân tử (anti–particles) giải phóng ra từ hoạt động phân rã phóng xạ diễn ra âm thầm ở các lớp địa tầng sâu bên dưới Trái Đất.

Các nhà nghiên cứu đang rất nóng lòng muốn tìm ra bí ẩn thật sự bên dưới các lớp địa tầng. “Chúng ta có những hiểu biết về bầu trời và vũ trụ nhiều hơn gấp nhiều lần so với những hiểu biết của chúng ta về những hoạt động ngầm bên dưới mặt đất”, theo lời của Zheng-Xiang Li, một nhà địa chất học thuộc Đại học Curtin ở Perth, Úc.

Chúng ta đã có những nghiên cứu khá kĩ lưỡng về lớp vỏ Trái Đất. Nhưng bắt đầu từ lớp địa tầng Manti (mantle), mọi thứ vẫn còn là điều bí ẩn. Lớp địa tầng Manti dày tổng cộng 2,900 km. Nhưng mọi nỗ lực của chúng ta khi cố gắng khoan xuyên qua lớp vỏ cứng của Trái Đất – với độ dày trung bình là 40 kilomet – nhằm chạm tới địa tầng Manti đều bị thất bại. Mũi khoan sâu nhất từng thực hiện được chỉ dài khoảng 12 km, khi những kĩ sư người Nga đào lỗ khoan siêu sâu Kola (Kola Superdeep Borehole), và nó cũng chính là lỗ khoan sâu nhất thế giới.

Các nhà khoa học và kĩ sư đã đào lỗ khoan này trong khoảng thời gian gần 20 năm nhưng cũng chỉ có thể gần chạm đến lớp địa tầng Manti. Khi họ cố gắng khoan sâu hơn, nhiệt lượng khổng lồ tỏa ra từ địa tầng Manti đã làm nóng chảy các máy móc và trang thiết bị. Nguồn lực dành cho dự án này dần cạn kiệt vào năm 2005 và các nhà khoa học đã hoàn toàn bỏ cuộc vào năm 2008.

Chính vì thế, hiện nay các nhà địa chất học phải sử dụng những công nghệ và phương pháp đo lường gián tiếp nhằm thực hiện các nghiên cứu về địa tầng Manti. Địa tầng Manti và lớp vỏ Trái Đất có chứa những nguyên tố phóng xạ như uranium và thorium. Khi tự phân hủy thành những nguyên tố nhẹ hơn, chúng sẽ giải phóng ra những hạt phân tử siêu nhỏ gọi là phản hạt neutrino hay neutrino địa cầu (geoneutrino). Các hạt này có những tính chất kì lạ như di chuyển xuyên qua đất đá mà không để lại bất kì một vết tích nào, giống như bản thân chúng không hề tồn tại.

Hạt cơ bản hay còn gọi là hạt sơ cấp (neutrino) vẫn còn là một khái niệm xa lạ đối với nhiều người. Chúng là những hạt vật chất vô cùng nhỏ, nhỏ hơn cả electron, photon hay notron. Chúng không mang điện tích, không thể bị tác động và chỉ xuất hiện trong vài phần nghìn của giây. Chúng được tạo ra từ các hoạt động nhiệt hạch của Mặt Trời, các vụ nổ siêu tân tinh và những hoạt động khác của vũ trụ. Bởi vì hạt cơ bản không tương tác với các loại hạt khác như electron hay photon, nên chúng rất khó để để nắm bắt và nghiên cứu.

Phản hạt neutrino là những hạt phân tử mang tính chất đối ngược lại hoàn toàn với các hạt cơ bản. Nhưng hạt cơ bản neutrino và phản hạt neutrino lại có cùng khối lượng như nhau và đều rất khó nghiên cứu vì chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian cực kì ngắn ngủi.

Một nhà khoa học đang kiểm tra các máy dò photon đặt ở bên trong máy dò hạt cơ bản neutrino Khu nghiên cứu Gran Saaso, Ý. Nguồn: Volker steger/Gettyimages.

Khi một notron bên trong nguyên tử uranium bị phân rã, nó sẽ giải phóng ra một proton, một electron và một phản hạt neutrino. Trong khi các proton và electron tồn tại tràn ngập khắp mọi nơi trong không gian, thì những hạt geoneutrino lại rất hiếm xuất hiện. Chúng là những dấu hiệu hoàn hảo để xác định và đo lường các hoạt động phóng xạ ở những nơi sâu thẳm bên trong lòng Trái Đất.

Để “tóm lấy” được các hạt geoneutrino trong một khoảng thời gian ngắn ngủi như vậy, các máy dò tìm phải khá lớn và không bị ảnh hưởng bởi những hạt khác đang tản mác khắp không gian như photon hay electron. Một trong số các thiết bị dò tìm thỏa mãn các yêu cầu trên tên là Borexino đang được đặt tại Khu nghiên cứu quốc gia Gran Sasso, Ý.

Thiết bị này bao gồm một hộp sắt cao 18 mét kết hợp với kết cấu bằng sắt khác rộng 800 mét đặt ngầm dưới lòng đất. Khi một hạt geoneutrino di chuyển xuyên qua các lớp thép và một loại nước tinh khiết đặc biệt - nhằm cách ly thiết bị với các loại hạt khác như photon hay electron, các hạt neutrino địa cầu sẽ đi vào bồn chứa trung tâm đổ đầy dung dịch giàu hydro. Trong loại môi trường này, nếu các hạt neutrino địa cầu bị phân hủy thành các proton, chúng đồng thời sẽ giải phóng ra các hạt positron (electron có điện tích dương) và các hạt nơ tron. Các hạt positron sẽ ngay lập tức bị biến mất, giải phóng ra năng lượng ánh sáng và được các máy dò photon siêu nhạy đặt gần bồn chứa phát hiện ra.

Trong khi đó, các hạt nơ tron lại bị giữ lại bởi các nguyên tử hydro, khiến cho chúng kết hợp với nhau trở thành nguyên tử đơteri (deuterium). Khi hấp thụ quá nhiều hạt nơ tron, các nguyên tử đơteri sẽ bắn ra các tia gamma và cũng bị các máy dò photon ghi lại.

Khoảng thời gian giữa lúc ánh sáng lóe lên lúc positron bị phân hủy và thời điểm xuất hiện các tia gamma cách nhau 250 phần triệu của giây (microsecond), chính là một dấu hiệu rất lớn chứng tỏ có sự xuất hiện của các hạt neutrino địa cầu.

Từ tháng 12/2007 cho đến tháng 3/2015, các nhà khoa học đã thu được tổng cộng 77 dấu hiệu của các phản hạt. Các nhà nghiên cứu tin rằng có đến ít nhất 98% tỷ lệ các hạt này đến từ địa tầng Manti.

Dựa trên nguồn năng lượng mà các hạt neutrino địa cầu mang đến từ lớp địa tầng Manti, nhóm nghiên cứu đã tính toán rằng khoảng 50-70% nhiệt lượng tỏa ra từ Trái Đất được tổng hợp nhờ vào các phản ứng hạt nhân trong lớp lõi. Kết quả này có giá trị gấp đôi so với những tính toán trước.

Các nhà địa chất học giờ đây đã có thể nghiên cứu chi tiết được con đường truyền đi của nhiệt lượng. Sự chuyển động của tầng Manti đã kéo theo các mảng kiến tạo ở lớp vỏ bề mặt cũng chuyển động theo, nên nếu có thể nghiên cứu được đường đi của nhiệt lượng, chúng ta sẽ có thể dự đoán chính xác hơn các sự kiện kiến tạo mảng như động đất, phun trào núi lửa và các dòng nham thạch.

Theo Phan Thanh/ Khám Phá