Chinh phục những câu hỏi lớn nhất của nhân loại bằng hợp tác quốc tế

Chúng ta đang sống trong một vũ trụ rộng lớn nhưng vẫn còn vô số bí ẩn chưa được giải đáp. Vì sao vật chất tồn tại nhiều hơn phản vật chất (dạng vật chất có tính chất đối ngược với vật chất thông thường)? Vật chất tối - thành phần được cho là chiếm phần lớn khối lượng của vũ trụ thực chất là gì? Hạt neutrino, một trong những hạt cơ bản nhỏ bé nhất, đang ẩn chứa những đặc tính nào mà con người chưa khám phá hết? Đây đều là những câu hỏi lớn mà các nhà khoa học trên thế giới đang nỗ lực tìm lời giải.

Để giải đáp những bí ẩn đó, vật lý năng lượng cao được xem là lĩnh vực nghiên cứu nền tảng, giữ vai trò trung tâm trong việc khám phá các quy luật cơ bản của tự nhiên. Mục tiêu của ngành là kiểm chứng Mô hình Chuẩn (là lý thuyết thành công nhất hiện nay trong việc giải thích cấu trúc và tương tác của các hạt cơ bản cấu tạo nên vật chất); đồng thời tìm kiếm những dấu hiệu của các hiện tượng vật lý mới vượt ra ngoài khuôn khổ lý thuyết hiện hành.

Tuy nhiên, các nghiên cứu này đòi hỏi những thiết bị như hệ thống máy gia tốc và thiết bị dò hạt có độ phức tạp rất cao cùng nguồn lực đầu tư lên tới hàng tỷ USD. Ngày nay, ngay cả các cường quốc khoa học cũng phải triển khai theo mô hình hợp tác quốc tế với sự tham gia của hàng nghìn nhà khoa học đến từ nhiều quốc gia. Đối với Việt Nam, đây là con đường hiệu quả nhất để tiếp cận các thành tựu khoa học, kỹ thuật và công nghệ tiên tiến của thế giới để từng bước nâng cao năng lực nghiên cứu trong nước.

Xuất phát từ mục tiêu đó, đề tài độc lập cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam “Nghiên cứu vật lý năng lượng cao với một số thí nghiệm quốc tế tại Nhật Bản” (mã số: ĐL0000.02/24-25), do PGS.TS. Nguyễn Anh Kỳ - Viện Vật lý làm chủ nhiệm, đã được triển khai trong giai đoạn 2024 - 2026. Mục tiêu của đề tài không chỉ là thực hiện các nghiên cứu khoa học cơ bản mà còn xây dựng nhóm nghiên cứu mạnh về vật lý năng lượng cao của Việt Nam thông qua việc tham gia trực tiếp vào hai thí nghiệm quốc tế hàng đầu tại Nhật Bản là Belle II và T2K. Đây được xem là cầu nối quan trọng giúp Việt Nam tiếp cận các công nghệ hiện đại, góp phần nâng cao năng lực khoa học và công nghệ của đất nước.

PGS.TS. Nguyễn Anh Kỳ tại phòng điều khiển của thí nghiệm Belle II

Trong đó, Belle II là một trong những thí nghiệm vật lý hạt lớn nhất thế giới (với sự tham gia của hơn 1200 thành viên từ hơn 120 cơ sở nghiên cứu của 28 nước), được xây dựng trên nền tảng của thí nghiệm Belle - công trình đã góp phần mang lại Giải Nobel Vật lý năm 2008 cho hai nhà khoa học Nhật Bản Makoto Kobayashi và Toshihide Maskawa. Hoạt động của Belle II dựa trên hệ thống máy gia tốc SuperKEKB có khả năng tạo ra số lượng va chạm hạt ở mức kỷ lục thế giới. Thí nghiệm này cho phép các nhà khoa học quan sát những hiện tượng cực kỳ hiếm gặp trong tự nhiên mà trước đây rất khó phát hiện. Belle II tập trung tìm kiếm lời giải cho những bí ẩn lớn như sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất, bản chất của vật chất tối và các dấu hiệu của những quy luật vật lý mới vượt ra ngoài hiểu biết hiện nay. Trong khuôn khổ đề tài và các hoạt động ở giai đoạn trước, các nhà khoa học Việt Nam đã trực tiếp tham gia xây dựng, vận hành và hiệu chuẩn buồng trôi trung tâm (CDC) - một trong những hệ thống đầu dò quan trọng nhất của Belle II, có nhiệm vụ ghi nhận và truy vết đường đi của các hạt với độ chính xác rất cao.

Cờ của các nước tham gia thí nghiệm Belle II

Trong khi đó, T2K (Tokai to Kamioka) là một trong những thí nghiệm nghiên cứu neutrino hàng đầu thế giới (với sự tham gia của gần 600 thành viên từ hơn 70 cơ sở nghiên cứu của 14 nước và Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu) và từng được trao Giải Đột phá về Vật lý cơ bản năm 2016. Thí nghiệm sử dụng chùm hạt neutrino được tạo ra tại Trung tâm nghiên cứu máy gia tốc proton J-PARC (đặt tại Tokai) và truyền đi quãng đường dài 295 km tới hệ thống máy dò Super-Kamiokande (đặt tại Kamioka). Mục tiêu của T2K là nghiên cứu hiện tượng dao động neutrino và tìm hiểu tại sao trong vũ trụ ngày nay vật chất lại tồn tại nhiều hơn phản vật chất. Tham gia thí nghiệm này, nhóm Việt Nam không chỉ thực hiện các phân tích khoa học mà còn trực tiếp phát triển phần mềm mô phỏng tương tác neutrino, xây dựng các thiết bị giám sát và hệ thống máy dò, qua đó từng bước làm chủ những công nghệ cốt lõi trong lĩnh vực vật lý năng lượng cao.

Danh sách các nước và cơ quan khoa học tham gia thí nghiệm T2K

Ngoài ra, từ năm 2018 nhóm nghiên cứu Việt Nam còn tham gia WAGASCI - là thí nghiệm bổ trợ của T2K, giúp đo chính xác hơn cách neutrino tương tác với vật chất. Nhờ đó, các nhà khoa học có thể cải thiện độ chính xác của các phép đo neutrino và chuẩn bị tốt hơn cho những thí nghiệm neutrino thế hệ mới trên thế giới.

Từ những thành tựu quốc tế đến nền tảng công nghệ tương lai

Sau hơn hai năm triển khai, tiếp nối thành công của các giai đoạn trước, đề tài đã đạt được những kết quả vượt xa kỳ vọng ban đầu. Nếu như mục tiêu đề ra chỉ là công bố 6 bài báo quốc tế, nhóm nghiên cứu đã thực hiện được 64 bài báo trên các tạp chí khoa học uy tín, trong đó có 52 bài ghi nhận trực tiếp từ nguồn tài trợ của đề tài. Nhiều công trình được đăng tải trên các tạp chí hàng đầu thế giới như Physical Review Letters, Physical Review D, European Physical Journal C và Journal of High Energy Physics. Đáng chú ý, kết quả nghiên cứu chung giữa hai thí nghiệm T2K (Nhật Bản) và NOvA (Hoa Kỳ) đã được công bố trên tạp chí Nature năm 2025 với sự tham gia của các nhà khoa học Việt Nam. Thành tựu này không chỉ khẳng định khả năng hội nhập sâu rộng của khoa học Việt Nam mà còn góp phần bổ sung những dữ liệu thực nghiệm có giá trị cho cộng đồng khoa học quốc tế trong quá trình tìm hiểu bản chất của hạt neutrino và sự hình thành của vũ trụ.

Tại thí nghiệm Belle II, nhóm đã tham gia ghi nhận tín hiệu quá trình phân rã cực hiếm của hạt B với độ tin cậy thống kê 3,5 sigma. Đây là hiện tượng khó quan sát trong tự nhiên và được cộng đồng khoa học quốc tế đặc biệt quan tâm bởi kết quả thực nghiệm này có thể gợi mở những dấu hiệu đầu tiên về các hiện tượng vật lý vượt ra ngoài khuôn khổ của Mô hình Chuẩn. Ngoài phân tích dữ liệu, các nhà khoa học Việt Nam còn trực tiếp tham gia xây dựng, vận hành và hiệu chuẩn buồng trôi trung tâm (CDC), một trong những hệ thống đầu dò quan trọng nhất của Belle II, có nhiệm vụ ghi nhận và truy vết đường đi của các hạt tích điện với độ chính xác rất cao. Thông qua quá trình này, nhóm nghiên cứu đã tiếp cận và làm chủ nhiều kiến thức, kỹ thuật tiên tiến, tạo nền tảng cho việc phát triển các hướng khoa học và công nghệ mới trong tương lai.

Đồng Văn Thanh (thứ hai từ trái sang) thành viên nhóm nghiên cứu Việt Nam tại Belle II cùng các đồng nghiệp sau khi lắp đặt buồng trôi trung tâm (CDC)

Chia sẻ về ý nghĩa của đề tài, PGS.TS. Nguyễn Anh Kỳ cho biết: Giá trị lớn nhất mà nghiên cứu mang lại không chỉ nằm ở các công bố khoa học quốc tế mà còn ở việc tạo dựng nền tảng cho sự phát triển khoa học công nghệ của Việt Nam trong dài hạn. Mặc dù vật lý năng lượng cao là lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và chưa tạo ra các sản phẩm ứng dụng trực tiếp trong đời sống hằng ngày nhưng đây lại là một trong những ngành khoa học đóng vai trò nền tảng cho nhiều công nghệ hiện đại có giá trị kinh tế - xã hội, an ninh - quốc phòng cao. Thực tế, mạng lưới World Wide Web (WWW), nền tảng của Internet ngày nay cũng ra đời từ nhu cầu chia sẻ dữ liệu trong các thí nghiệm vật lý hạt. Các công nghệ máy gia tốc, đầu dò, điện toán dữ liệu lớn, nam châm siêu dẫn và kỹ thuật đo lường chính xác đã được ứng dụng rộng rãi trong y học, công nghiệp, quốc phòng và công nghệ thông tin, cho thấy rõ vai trò của vật lý năng lượng cao trong thúc đẩy đổi mới công nghệ, phát triển kinh tế và nâng cao chất lượng đời sống.

Thông qua việc tham gia trực tiếp xây dựng, vận hành và hiệu chuẩn các thiết bị tại Belle II và T2K, các nhà khoa học Việt Nam đã từng bước làm chủ nhiều công nghệ tiên tiến như thiết kế và vận hành hệ thống đầu dò hạt, phát triển phần mềm mô phỏng, xử lý dữ liệu lớn và tính toán hiệu năng cao. Riêng tại T2K, nhóm nghiên cứu đã tham gia xây dựng thiết bị giám sát dòng proton không phá hủy; giám sát hoạt động tạo chùm tia neutrino tại Trung tâm Nghiên cứu Máy Gia tốc Proton J-PARC; đồng thời tham gia xây dựng các hệ máy dò gần INGRID và SuperFGD. Đáng chú ý, nhóm T2K-Vietnam còn triển khai các nghiên cứu thực nghiệm với thiết bị đặt tại Quy Nhơn và bước đầu đạt được những kết quả khả quan, tạo cơ sở cho việc làm chủ thiết bị và công nghệ liên quan. Đây đều là những năng lực nền tảng có thể thúc đẩy sự phát triển của nhiều lĩnh vực công nghệ chiến lược như vật liệu tiên tiến, điện tử, dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo.

Nhóm T2K-Vietnam (từ trái sang: TS. Cao Văn Sơn, PGS.TS. Nguyễn Thị Hồng Vân, TS. Nguyễn Thị Dung và Th.S. Phan Tố Quyên) tại đầu dò Super-Kamiokande, bên một trong khoảng 13.000 ống nhân quang (PMT) - một loại cảm biến dùng để ghi nhận tín hiệu hạt tại Super-Kamiokande

Chia sẻ về những kết quả đạt được, PGS.TS. Nguyễn Anh Kỳ cho biết: Nếu trước đây, Việt Nam chủ yếu tham gia ở mức độ học hỏi hoặc hỗ trợ phân tích dữ liệu thì nay các nhà khoa học trong nước đã trực tiếp đảm nhiệm nhiều nhiệm vụ kỹ thuật cốt lõi và tham gia vào quá trình quản lý, điều hành các hạng mục quan trọng của thí nghiệm quốc tế. Điểm nổi bật là nhóm Việt Nam vừa  tham gia nghiên cứu lý thuyết, vừa phát triển mạnh nghiên cứu thực nghiệm, điều không phải nhóm hợp tác nào cũng có được. Đây là bước chuyển biến quan trọng, đánh dấu sự trưởng thành của cộng đồng nghiên cứu vật lý năng lượng cao trong nước. Trong đó, Viện Vật lý hiện là đơn vị đại diện cho các cơ quan tham gia của Việt Nam, bao gồm Viện Quốc tế Khoa học và Giáo dục liên ngành (ICISE), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội và Trường Đại học Duy Tân. Mạng lưới này được kỳ vọng sẽ tiếp tục mở rộng khi ngày càng có nhiều đơn vị trong nước quan tâm tới lĩnh vực này.

Cũng theo PGS.TS. Nguyễn Anh Kỳ: Vật lý năng lượng cao là lĩnh vực nghiên cứu cơ bản nhưng có tác động lan tỏa lớn tới nhiều ngành khoa học và công nghệ chiến lược như vật lý hạt nhân, vật lý thiên văn và vũ trụ học, vật lý tính toán, điện tử, vật liệu, dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo. Dù đã có nhiều đóng góp quan trọng và được cộng đồng quốc tế ghi nhận, nguồn kinh phí dành cho Việt Nam vẫn còn khá khiêm tốn so với các quốc gia cùng tham gia. Bên cạnh đó, cơ chế tài trợ hiện nay chủ yếu theo từng giai đoạn ngắn, thường kéo dài khoảng hai năm, khiến nhóm nghiên cứu gặp nhiều khó khăn trong việc chủ động xây dựng kế hoạch dài hạn, phát triển đội ngũ kế cận và duy trì sự tham gia hiệu quả trong những dự án khoa học kéo dài hàng chục năm. Vì vậy, nhóm mong muốn có cơ chế hỗ trợ ổn định và dài hạn hơn với thời gian tài trợ tối thiểu khoảng 5 năm cho mỗi giai đoạn, tạo điều kiện duy trì lực lượng nghiên cứu, chủ động triển khai các kế hoạch khoa học dài hạn và mở rộng sự tham gia vào các dự án thế hệ mới.

Đánh giá về kết quả của nhiệm vụ, GS.TS. Nguyễn Quang Liêm, Chủ tịch Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cho biết: Đây là nhiệm vụ khoa học có tính chất đặc thù, thể hiện sự hội nhập sâu rộng của các nhà khoa học Việt Nam vào các thí nghiệm vật lý năng lượng cao hàng đầu thế giới. Hội đồng ghi nhận đề tài đã đạt được nhiều kết quả nổi bật, vượt xa các chỉ tiêu đăng ký ban đầu, đặc biệt là chất lượng và số lượng công bố quốc tế trên các tạp chí khoa học uy tín hàng đầu thế giới. Đề tài đã khẳng định năng lực của đội ngũ nghiên cứu Việt Nam trong việc tham gia, đảm nhiệm các nhiệm vụ kỹ thuật và quản lý phức tạp trong các thí nghiệm quốc tế, góp phần quan trọng vào việc đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao, mở rộng hợp tác quốc tế và nâng cao uy tín khoa học của Việt Nam. Hướng nghiên cứu trọng điểm về vật lý năng lượng cao và vật lý mới này cần tiếp tục được quan tâm, đầu tư và hỗ trợ lâu dài nhằm phát huy hiệu quả, tạo nền tảng cho sự phát triển khoa học và công nghệ của đất nước trong tương lai.

Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục mở rộng hợp tác quốc tế thông qua việc tham gia thí nghiệm Hyper-Kamiokande (Hyper-K) - thế hệ thí nghiệm neutrino mới đặt tại Nhật Bản, dự kiến đi vào vận hành trong giai đoạn 2027 - 2028. Đây là một trong những dự án đang được cộng đồng khoa học quốc tế kỳ vọng sẽ tạo ra những phát hiện mang tính đột phá trong lĩnh vực nghiên cứu neutrino và góp phần giải đáp những câu hỏi nền tảng về sự hình thành của vũ trụ.

Vật lý năng lượng cao thực nghiệm là một trong những lĩnh vực thể hiện rõ nhất mối liên kết giữa nghiên cứu cơ bản, phát triển công nghệ và hợp tác quốc tế. Thành công của đề tài cho thấy, khi có tầm nhìn dài hạn và sự đầu tư đúng hướng, Việt Nam không chỉ tham gia mà còn có thể khẳng định vị thế của mình trong những lĩnh vực khoa học tiên phong của thế giới.