Phương pháp sử dụng hạt Muon tiết lộ kỷ lục điện áp giông mới

Nhóm nghiên cứu sử dụng một phương pháp theo dõi mới sử dụng các hạt Muon rơi xuống trái đất – những hạt này được tạo ra từ các tia vũ trụ khi nó va vào bầu khí quyển. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Sử dụng một máy dò muon, các nhà nghiên cứu đã đo được một cơn dông có điện thế lớn hơn 1 tỷ volt. Nguồn:physics.aps.org

Điện thế của cơn dông có thể làm giảm năng lượng của các hạt mang điện tích và làm suy giảm khả năng chúng sẽ được dò trong cơn dông. Phép đo mới chỉ ra rằng điện thế của giông bão có khả năng lên tới vài tỷ volt, điện áp này đủ cao để có thể giải thích sự xuất hiện chớp nhoáng đầy bí ẩn của những tia gamma năng lượng cao mà chúng ta đôi khi quan sát được trong cơn dông.

Năm 1752, Benjamin Franklin đã thử thả một chiếc diều vào buổi chiều giông bão. Kể từ đó, con người đã biết rằng giông bão bao gồm các hiện tượng liên quan đến điện năng - như chớp và sấm là biểu thị của sự phóng điện đột ngột giữa các vùng mang điện tích trong khí quyển. Để nghiên cứu cấu trúc điện năng của mây dông, các nhà nghiên cứu từng dùng máy bay hoặc bóng thám không thả vào tâm bão và thấy điện thế ở đó vượt quá hàng chục triệu volt, trong đó giá trị lớn nhất từng ghi nhận là 130 Megavolt từ cơn bão trên núi vùng New Mexico những năm 1990. Tuy nhiên, máy bay và bóng thám không chỉ có thể thăm dò được một khu vực nhỏ của cơn bão mà chúng bay qua và không thể đo được điện thế trên toàn đám mây.

Phương pháp do nhà nghiên cứu Sunil Gupta của Viện nghiên cứu cơ bản Tata ở Mumbai, Ấn Độ và các đồng nghiệp tìm ra dựa vào việc dò các hạt sơ cấp sử dụng Kính viễn vọng hạt Muon(G3MT) ở miền Nam Ấn Độ (thiết bị này đăt tại trung tâm dò tia vũ trụ GRAPES-3).

Kính viễn vọng dò các hạt Muon do tia vũ trụ tạo ra trong khí quyển - các hạt mang điện tích âm này chủ yếu đến từ ngoài Hệ Mặt Trời.Nhiều nhà nghiên cứu từ các nơi có kính viễn vọng hạt Muon khác từng quan sát các hiện tượng giông bão có tương quan với sự thay đổi số lượng hạt Muon đo được.

Phần lớn các hạt Muon do G3MT dò ra là những phản hạt Muon mang điện tích dương, chúng thường mất năng lượng vì phản ứng lại những vùng mang điện tích khác nhau ở mây giông. Do sụt giảm năng lượng, khả năng dò được các hạt Muon sẽ giảm đi do máy dò chỉ phát hiện được các hạt mang năng lượng ở một ngưỡng nhất định.

Với hơn 1 triệu hạt Muon có thể chạm tới máy đo trong mỗi phút, máy G3MT có thể đo được những thay đổi thông lượng của hạt với độ chính xác 0,1%.Kính viễn vọng này còn có khả năng phân biệt 169 hướng riêng biệt của hạt Muon trên bầu trời. Từ các phép đo thông lượng, Gupta và các đồng nghiệp của mình có thể ước tính điện năng của cơn giông bằng cách sử dụng các mô phỏng trên máy tính dựa trên mô tả đơn giản về cơn giông này.Họ coi nó như một tụ điện khổng lồ được làm từ hai bề mặt dẫn điện đặt song song cách nhau 2 km, phát ra một điện trường theo hướng ngược lên trên.

Trên cơ sở dữ liệu về 184 cơn giông thu thập từ năm 2011 đến 2014, các nhà nghiên cứu đã chọn ra 7 cơn giông lớn nhất, sau đó tập trung vào cơn bão thứ 7, xảy ra ngày 1/12/2014, và đo được điện thế cực đại là 1.3 GV, phá vỡ kỷ lục trước đó.

“Dù là cách tiếp cận gián tiếp, kỹ thuật dựa trên hạt Muon này vẫn đem lại một phương thức độc đáo để thăm dò các điện trường trong chớp và giông tố - những máy gia tốc hạt tự nhiên lớn nhất trên trái đất”, Michael Cherry, chuyên gia nghiên cứu tia vũ trụ năng lượng cao và tia gamma tại ĐH bang Louisiana ở Baton Rouge, nhận xét.

Phân tích này phụ thuộc vào các mô phỏng Monte Carlo và việc đơn giản hóa các giả định, nên không thể áp dụng cho việc tính toán điện thế ở tất cả các cơn bão. Tuy nhiên, mức điện thế nó thu được cho thấy độ chính xác lớn hơn các kết quả đo bằng bóng thám không trước đây.

Nhóm của Gupta hiện đang thiết lập các máy dò tia gamma xung quanh GRAPES-3 với hy vọng tìm được bằng chứng thuyết phục bằng cách cố gắng bắt tín hiệu các ánh chớp tia gamma trùng với cơn giông ở cấp độ gigavolt.