Mỗi giây có bao nhiêu hạt vũ trụ xuyên qua cơ thể chúng ta?

Hàng trăm nghìn tỷ neutrino đi qua cơ thể mỗi giây

Trong số những hạt có nguồn gốc từ các quá trình vật lý ngoài cơ thể và có khả năng xuyên qua vật chất, neutrino đặc biệt phổ biến.

Theo IceCube, khoảng 100.000 tỷ neutrino đi qua cơ thể một người mỗi giây. Con số thực tế phụ thuộc vào kích thước cơ thể, hướng chuyển động của hạt và phổ năng lượng của neutrino.

Neutrino được tạo ra trong nhiều quá trình vật lý khác nhau. Một nguồn quan trọng là các phản ứng hạt nhân bên trong Mặt Trời. Các nguồn khác bao gồm những quá trình xảy ra trong khí quyển Trái Đất, các ngôi sao và những sự kiện thiên văn có năng lượng rất lớn.

Neutrino không mang điện và có khối lượng cực nhỏ. Chúng tương tác với vật chất chủ yếu thông qua lực hạt nhân yếu, khiến xác suất một neutrino tương tác với nguyên tử trên đường đi rất thấp.

Phần lớn neutrino đi xuyên qua cơ thể mà không để lại dấu hiệu có thể nhận biết. Các đài quan sát neutrino phải sử dụng những khối vật chất rất lớn mới có thể ghi nhận một phần nhỏ các tương tác hiếm hoi của chúng.

Muon - những hạt thứ cấp vẫn xuyên qua cơ thể

Khác với neutrino, tia vũ trụ là các hạt năng lượng cao, chủ yếu gồm proton và hạt nhân nguyên tử, liên tục tới Trái Đất từ không gian.

Khi các hạt này va chạm với nguyên tử và phân tử trong tầng khí quyển trên, chúng tạo ra các chuỗi phản ứng, hình thành những "trận mưa" hạt thứ cấp. Trong số đó có muon, một loại hạt thuộc nhóm lepton, có khối lượng lớn hơn electron khoảng 207 lần.

Muon có thể mang điện tích dương hoặc âm và có khả năng xuyên qua vật chất khá tốt. Ở mực nước biển, thông lượng muon vào khoảng một hạt trên mỗi cm² mỗi phút, dù con số thay đổi theo độ cao, góc tới và điều kiện quan sát.

Với diện tích cắt ngang cơ thể người vào khoảng 1m², có thể ước tính có hàng trăm muon đi qua cơ thể mỗi giây ở điều kiện gần mực nước biển. Đây chỉ là con số bậc độ lớn, không phải một giá trị cố định cho mọi người và mọi địa điểm.

Bức xạ vũ trụ đóng góp bao nhiêu?

Bức xạ vũ trụ là một trong những nguồn của bức xạ nền tự nhiên mà con người luôn tiếp xúc.

Theo UNSCEAR, liều hiệu dụng trung bình trên toàn cầu từ bức xạ vũ trụ khoảng 0,39mSv/năm, trong khi tổng liều từ các nguồn bức xạ tự nhiên vào khoảng 2,4mSv/năm. Liều bức xạ vũ trụ thay đổi đáng kể theo độ cao, nên những người thường xuyên di chuyển bằng máy bay hoặc sinh sống ở vùng cao có thể nhận liều cao hơn.

Con số 0,39mSv/năm là liều từ toàn bộ thành phần bức xạ vũ trụ, không nên hiểu đây là lượng bức xạ chỉ do muon hoặc neutron tạo ra.

Ở mức phơi nhiễm thông thường trên mặt đất, bức xạ vũ trụ là một phần nhỏ của bức xạ nền tự nhiên. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa mọi mức phơi nhiễm bức xạ đều có thể được gọi là "an toàn"; liều lượng còn phụ thuộc vào cường độ và thời gian phơi nhiễm.

Khả năng xuyên qua vật chất của muon đã được tận dụng trong nghiên cứu khoa học và khảo sát các công trình lớn.

Một ví dụ nổi tiếng là Đại kim tự tháp Khufu ở Ai Cập. Các nhà khoa học sử dụng muon sinh ra từ tia vũ trụ để lập bản đồ mật độ bên trong công trình. Năm 2017, một nghiên cứu đăng trên Nature công bố phát hiện một khoảng rỗng lớn, được gọi là "Big Void", nằm phía trên Đại sảnh.

Phương pháp này được gọi là chụp ảnh hoặc đo mật độ bằng muon (muography). Ý tưởng tương tự chụp X-quang ở chỗ các nhà khoa học dựa vào mức độ hạt xuyên qua vật chất để suy ra cấu trúc bên trong, nhưng muon có khả năng xuyên qua những khối vật chất lớn hơn nhiều.

Neutrino lại được sử dụng theo cách khác. Các đài quan sát như IceCube tại Nam Cực không trực tiếp "nhìn thấy" neutrino. Thay vào đó, khi một neutrino hiếm hoi tương tác với vật chất trong băng, nó có thể tạo ra các hạt tích điện thứ cấp. Những hạt này phát ra ánh sáng Cherenkov, được các cảm biến quang học trong băng ghi nhận.

Khả năng xuyên qua vật chất và không bị lệch bởi từ trường của neutrino khiến chúng trở thành công cụ quan trọng để nghiên cứu các hiện tượng thiên văn mà ánh sáng thông thường khó quan sát. Các neutrino năng lượng cao có thể cung cấp thông tin về những môi trường cực đoan như siêu tân tinh, nhân thiên hà hoạt động và các vùng lân cận những vật thể cực mạnh trong vũ trụ.

Như vậy, mỗi giây cơ thể con người thực sự nằm trong một "cơn mưa" hạt vô hình: khoảng 100.000 tỷ neutrino và, ở điều kiện gần mực nước biển, khoảng hàng trăm muon. Phần lớn chúng đi qua cơ thể mà không gây ra cảm giác nào và chỉ có thể được nhận biết bằng những thiết bị vật lý chuyên dụng.