Bên trong Đại kim tự tháp Giza của Ai Cập có tồn tại một phòng chứa bí ẩn. Mặc dù biết đến sự tồn tại của nó, thế nhưng, kiến trúc của người Ai Cập kỳ lạ đến mức: Dù có cố gắng đến mấy, chúng ta cũng không thể chạm tới khoảng trống này theo cách thông thường.

Thật may mắn là khoa học giờ đây đã không còn bị giới hạn bởi các giác quan của con người. Nhờ đó, chúng ta đã chinh phục được những thử thách tưởng như bất khả thi, tiêu biểu là khám phá được bí ẩn của Giza, cũng như nhiều kiến trúc độc đáo khác.

Để làm được điều này, các nhà khoa học đã lần theo dấu của các hạt hạ nguyên tử rất nhỏ - gọi là hạt muon. Những hạt này len lỏi và chui khắp những kẽ hở của kim tự tháp. Bằng cách sử dụng máy dò để xác định đường đi của các hạt muon, nhân loại lần đầu tiên vén được lớp màn phía sau căn phòng chứa bí ẩn bên trong kim tự tháp Giza. Công trình này đã được công bố vào năm 2017.

Thành công này cũng đã đánh dấu lần đầu tiên hạt muon được sử dụng để khám phá các cấu trúc khảo cổ học phức tạp, nằm ngoài khả năng tiếp cận của con người.

Một số nhà nghiên cứu thậm chí sáng tạo ra một kỹ thuật gọi là "muography" nhằm lập bản đồ các khe nứt bên trong miệng núi lửa, từ đó giúp con người có thêm thông tin về cách thức và thời điểm một ngọn núi lửa có khả năng phun trào. Vậy, hạt muon là gì mà có khả năng phi thường tới vậy?

Muon về cơ bản có ở khắp mọi nơi trên bề mặt Trái Đất. Chúng được tạo thành khi các hạt mang năng lượng cao từ không gian - còn gọi là tia vũ trụ, đâm vào bầu khí quyển của Trái Đất.

Lúc này, hạt muon liên tục trút xuống bầu khí quyển ở nhiều góc độ khác nhau. Khi chúng chạm tới bề mặt Trái Đất, các hạt này phân tán đi khắp nơi: Có thể là bên trong những cấu trúc lớn như kim tự tháp, hay thậm chí phủ đầy các vật nhỏ bé như ngón tay cái.

Nhờ đặc tính kỳ lạ này, các nhà khoa học đã sớm phát hiện ra rằng việc đo xem có bao nhiêu hạt muon được hấp thụ khi chúng đi qua một cấu trúc sẽ giúp họ biết được mật độ của một vật thể, hay khoảng trống ẩn chứa bên trong nó.

Mariaelena D'Errico, một nhà vật lý hạt tại Viện Vật lý Hạt nhân Quốc gia Naples, Ý cho biết kỹ thuật này tựa như việc chụp một bức hình X-quang khổng lồ. Thế nhưng thay vì tia X, chúng ta tận dụng một nguồn hạt tự nhiên gần như vô tận và có thể được xem là nét đặc trưng chỉ có ở riêng Trái Đất.

Đây là một cách vận hành khá kỳ lạ, bởi các nhà vật lý thường sẽ nghiên cứu các tia vũ trụ để hiểu rõ hơn về cấu thành của vũ trụ, cũng như về nơi mà chúng xuất phát. Trong trường hợp này, đối với kỹ thuật chụp bản đồ dựa trên hạt muon, con người đã đảo ngược tự nhiên, khi sử dụng các hạt vũ trụ để giải mã những bí ẩn chưa được biết đến ngay tại thế giới của chúng ta.

Nhà vật lý hạt Hiroyuki Tanaka đến từ Đại học Tokyo thì cho rằng từ trước tới nay, hầu hết các hạt đến từ vũ trụ không được ứng dụng cho cuộc sống đời thường của chúng ta. Nhưng hạt muon đã thay đổi điều đó.

Là một hạt có "họ hàng" với electron, song muon có vẻ giống như một phiên bản kỳ quái tới mức không cần thiết trong ngành vật lý học. Trên thực tế, khi danh tính của hạt này lần đầu tiên được tiết lộ, các nhà vật lý đã tự hỏi rằng: Tại sao chúng tồn tại? Chúng phục vụ mục đích gì?

Rõ ràng, người ta chỉ nghĩ đơn thuần rằng các electron đóng một vai trò quan trọng trong nguyên tử và hình thành liên kết. Còn hạt muon do không phục vụ mục đích ấy, nên trở thành... "vô dụng".

Thế nhưng dần theo thời gian, người ta bắt đầu nhận ra hạt muon hóa ra cũng không hề kém phần quan trọng. Chúng là thành phần lý tưởng để tái tạo lại hình ảnh bên trong các vật thể lớn.

Sở dĩ làm được điều này là bởi khối lượng của hạt muon cao gấp khoảng 207 lần so với electron. Khối lượng nặng hơn giúp hạt muon có thể đi xuyên qua hàng trăm mét đất đá, còn electron thì không thể.

Nhà vật lý hạt Cristina Cârloganu ví sự khác biệt giữa một electron và một hạt muon khi chúng đi qua vật chất giống như một viên đạn súng thường so với một viên đạn súng đại bác. Rõ ràng, một bức tường có thể ngăn trở một viên đạn, nhưng nếu nó gặp phải một viên đạn súng đại bác, thì đây lại là một câu chuyện khác.

Hạt muon cũng rất phong phú và sẵn có ở khắp mọi nơi. Vì vậy, chúng ta không cần phải tạo ra các chùm bức xạ nhân tạo, chẳng hạn như thứ cần thiết để chụp ảnh X-quang tại các bệnh viện.

"Muon là miễn phí", nhà vật lý Cârloganu nói.

Một ưu điểm khác của muon đó là chúng rất dễ phát hiện. Richard Kouzes, nhà vật lý hạt nhân tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương cho rằng chỉ cần một máy dò đơn giản làm từ cảm biến ánh sáng và các dải nhựa là đã có thể "truy tìm" dấu vết của các hạt muon.

Một số máy dò muon khác thậm chí chỉ giống như một phiên bản nâng cấp của máy ảnh phim. Kouzes nhấn mạnh rằng không có hạt nguyên tố nào trong tự nhiên có thể dễ phát hiện tới vậy.

Các hạt muon mang điện tích âm, giống như một electron. Trong khi các "phản hạt" của chúng - còn gọi là "antimuon", cũng rơi xuống Trái Đất, mang điện tích dương.

Máy dò muon về cơ bản sẽ ghi lại dấu vết của cả 2 loại hạt mang điện tích âm và điện tích dương. Khi các hạt này đi xuyên qua vật chất, chúng mất đi năng lượng theo nhiều cách khác nhau. Dễ gặp nhất là chúng va chạm với các electron và đánh bật nhau ra khỏi cấu trúc nguyên tử.

Cùng với việc mất đi năng lượng, các hạt muon di chuyển chậm lại, thậm chí có lúc ngừng hẳn. Vật liệu có cấu trúc càng đậm đặc, thì muon càng khó lọt qua.

Như vậy, khi sử dụng máy dò đặt bên dưới hoặc bên cạnh vật liệu, những hạt muon nằm trôi dạt ở khoảng trống sẽ hiển thị trước dưới dạng những đốm sáng trên màn hình. Còn những khu vực có vách ngăn hay khối đặc... nơi hạt muon chưa thể xuyên qua, thì sẽ hiển thị dưới màu tối.

Bằng cách này, các nhà khoa học có thể tìm thấy những thế giới ẩn giấu bên dưới lòng đất, sâu dưới lòng đại dương, hay ở những nơi có điều kiện vô cùng khắc nghiệt, mà không một thiết bị quan sát nào có thể hoạt động.

Một trong số các ứng dụng đầu tiên của kỹ thuật mang tên muography là vào những năm 1960, khi nhà vật lý Luis Alvarez cùng các cộng sự áp dụng nó để tìm kiếm căn phòng bí ẩn bên trong kim tự tháp Khafre ở Giza. Mặc dù máy dò sau đó không tìm thấy bất kỳ dấu hiệu nào của những căn phòng bí mật, nhưng kỹ thuật này rốt cuộc đã được kiểm chứng, và nó hoạt động.

Dần theo thời gian, các máy dò muon được cải tiến. Chúng bớt cồng kềnh hơn, và có thể hoạt động trong nhiều môi trường khắc nghiệt. Qua đó, khả năng dò tìm "độc nhất vô nhị" của hạt muon lại càng được phát huy và áp dụng rộng rãi. Ngày nay, một máy dò hạt muon tiêu chuẩn được chế tạo bằng nhựa đàn hồi, đủ gọn để nhét vừa 2 va li cỡ lớn, và có thể được vận hành từ xa thông qua máy tính xách tay.

Một dạng máy dò tương tự, nhưng sử dụng các tấm nhũ tương hạt nhân đã góp phần vào dự án khám phá khoảng trống bí ẩn giấu trong Kim tự tháp vĩ đại (Great Pyramid) vào năm 2017. Trong thiết bị này, nhũ tương hạt nhân ghi lại dấu vết các hạt muon trong một loại phim đặc biệt. Sau đó, chúng được đưa trở lại phòng thí nghiệm để phân tích hình ảnh.

Đặc điểm của loại máy dò nhũ tương hạt nhân này là chúng rất nhẹ, nhỏ gọn và không cần nguồn điện để hoạt động. Điều này có nghĩa là nhiều máy dò có thể được xếp ở những vị trí trung tâm. Đối với trường hợp Kim tự tháp vĩ đại, máy dò được đặt ở một hốc nhỏ bên cạnh phòng của Nữ hoàng.

Vesuvius là tên một ngọn núi lửa ở Napoli, Ý. Từ lâu, đây đã là mối đe dọa thường trực cho cư dân tại các thành phố tự trị xung quanh do dựa trực tiếp vào sườn núi. Núi lửa Vesuvius từng trở nên nổi tiếng sau khi phá hủy toàn bộ thành phố cổ Pompeii vào năm 79 sau Công nguyên. Mặc dù ngọn núi đã ngừng hoạt động kể từ năm 1944, song những người ở khu vực xung quanh vẫn thấp thỏm trong lo sợ.

Nếu phun trào, ngọn núi lửa sẽ gây nguy hiểm cho cuộc sống của khoảng 600.000 người ở vùng lân cận, cũng như thiệt hại không thể đong đếm về tài sản. "Vesuvius luôn khiến tôi sợ hãi", nhà vật lý D'Errico chia sẻ. "Tôi sinh ra và lớn lên dưới ngọn núi lửa này. Giờ đây, nó trở thành một phần trong nghiên cứu của tôi".

Bằng cách ứng dụng hạt muon, nghiên cứu mang tên "Muon Radiography" được cho là sẽ giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về những mối nguy hiểm của ngọn núi lửa trứ danh. Nghiên cứu bao gồm việc đưa máy dò muon tới cách miệng núi lửa 1,5 km nhằm đo mật độ của đá ở khu vực đỉnh hình nón của Vesuvius.

Thông qua bước này, thông tin về cấu trúc của núi lửa sẽ được thu thập. Nó có thể giúp các nhà khoa học dự đoán về mức độ nguy hiểm sẽ xảy ra nếu như núi lửa phun trào, chẳng hạn như nơi có thể xảy ra sạt lở đất, cường độ là bao nhiêu... Ngoài ra, hình chụp mật độ hạt muon bên trong núi lửa cũng chỉ ra những điểm yếu của cấu trúc, từ đó giảm thiểu rủi ro xảy ra thảm họa nhờ đưa ra những cảnh báo kịp thời.

Ở Nhật Bản, phương pháp tương tự cũng được các nhà nghiên cứu áp dụng cho ngọn núi lửa Sakurajima, nằm cách thành phố Kagoshima không xa. Giống như việc phát hiện ra tia X đã mở ra một cách nhìn thế giới hoàn toàn mới, việc tận dụng các hạt muon luôn sẵn có sẽ mang đến cho nhân loại những kiến thức vô giá, cũng như giúp chúng ta tạo ra thay đổi cần thiết cho cuộc sống.

Một vài nhà nghiên cứu tỏ ra lạc quan khi thừa nhận rằng, một ngày nào đó, có lẽ hạt muon sẽ cứu sống nhân loại.