Đi tìm nguồn gốc của các nguyên tố nặng

Lĩnh vực vật lý hạt nhân có một bí ẩn tồn tại trong một thời gian dài là tại sao vũ trụ này được tạo ra bằng các vật chất cụ thể mà chúng ta thấy xung quanh mình. Nói cách khác, tại sao nó là loại ‘quặng’ này mà không phải là quặng khác?

Một cái nhin vào bên trong máy quang phổ kế Solenoid  ISOLDE tại CERN. Nguồn: Argonne National Laboratory

Mối quan tâm một cách đặc biệt là các quá trình vật lý là nguyên nhân dẫn đến sự hình thành của các nguyên tố nặng – như vàng, bạch kim và urani – được cho là diễn ra trong những cuộc sáp nhập của các ngôi sao neuton và các sự kiện bùng nổ sao.

Các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đã dẫn dắt một thí nghiệm vật lý hạt nhân quốc tế diễn ra tại CERN, sử dụng những kỹ thuật mới được phát triển tại Argonne để nghiên cứu bản chất và nguồn gốc của các nguyên tố nặng trong vũ trụ. Nghiên cứu này có thể đem lại những cái nhìn xuyên suốt vào các quá trình mà những thành phần tham gia kết hợp để tạo ra hạt nhân “lạ”, và nó sẽ hình thành các mô hình về các sự kiện sao và vũ trụ sớm.

Các nhà vật lý hạt nhân trong nhóm hợp tác quốc tế này lần đầu tiên quan sát được cấu trúc neutron-vỏ của các hạt nhân với ít proton hơn chì và nhiều hơn 126 neutron — “những con số kỳ diệu” trong lĩnh vực vật lý hạt nhân.

Trong dãy số kỳ diệu đó, bao gồm các giá trị 8, 20, 28, 50 và 126, hạt nhân đều được tăng cường độ bền vững như các khí hiếm với các lớp vỏ electron đóng. Hạt nhân với các neutron quanh con số kỳ diệu 126 vẫn còn chưa được khám phá bởi rất khó tạo được ra chúng. Hiểu biết về tính chất của chúng rất quan trọng để hiểu về quá trình bắt neutron nhanh (r-process) mà qua đó đã tạo ra rất nhiều nguyên tố nặng trong vũ trụ.

Quá trình bắt neutron nhanh vẫn được cho là xuất hiện trong các điều kiện đặc biệt trên các ngôi sao như các cuộc sáp nhập sao neutron hay siêu tân tinh. Các môi trường giàu neutron là nơi hạt nhân có thể lớn lên rất nhanh, bắt các neutron để tạo ra các nguyên tố mới và nặng hơn trước khi chúng có cơ hội phân rã.

Thí nghiệm này tập trung vào đồng vị thủy ngân ²⁰⁷Hg. Nghiên cứu về ²⁰⁷Hg có thể làm sáng tỏ các đặc tính của các đồng vị láng giềng cận kề nó, các hạt nhân tham gia một cách trực tiếp vào những khía cạnh quan trọng của quá trình bắt neutron nhanh.

“Một trong những câu hỏi lớn nhất của thế kỷ này là các nguyên tố đó được hình thành tại thời điểm khởi nguyên của vũ trụ như thế nào”,nhà vật lý Ben Kay của Argonne và người dẫn dắt nghiên cứu nói. “Thật khó để nghiên cứu về nó bởi chúng tôi không thể nhảy khỏi trái đất để đào bới một siêu tân tinh, vì vậy chúng tôi phải tạo ra các môi trường có điều kiện giống thế và nghiên cứu các phản ứng xảy ra trong đó”.

Để nghiên cứu cấu trúc của ²⁰⁷Hg, các nhà nghiên cứu đầu tiên sử dụng thiết bị của HIE-ISOLDE tại CERN ở Geneva, Thụy Sĩ. Một chùm tia proton năng lượng cao đã được bắn vào một bia chì nóng chảy với kết quả là những va chạm tạo ra hàng trăm đồng vị “lạ” và đồng vị phóng xạ.

Sau đó họ phân tách hạt nhân ²⁰⁶Hg khỏi các mảnh khác và dùng máy gia tốc HIE-ISOLDE để tạo ra một chùm hạt nhân với mức năng lượng cao nhất có thể đạt trên thiết bị này. Nhờ vậy họ tập trung chùm tia này vào một bia deuteri bên trong quang phổ kế Solenoidal ISOLDE (ISS).

“Không nơi nào có thể tạo ra các chùm tia thủy ngân với khối lượng này và gia tốc chúng với mức năng lượng như vậy”, Kay nói. “Điều này cùng với độ phân giải tuyệt vời của ISS, cho phép chúng tôi lần đầu tiên quan sát được phổ của các trạng thái kích thích trong ²⁰⁷Hg.”

ISS là một quang phổ kế từ mới được phát triển mà các nhà vật lý hạt nhân dùng để dò các trường hợp hạt nhân ²⁰⁶Hg bắt một neutron và trở thành ²⁰⁷Hg. Nam châm solenoidal của quang phổ kế là một nam châm từ MRI siêu dẫn 4-Tesla của một bệnh viện ở Úc sửa chữa lại. Nó được chuyển đến CERN và lắp đặt tại ISOLDE nhờ vào hợp tác giữa trường đại học Liverpool, Manchester, Phòng thí nghiệm Daresbury và KU Leuven, Bỉ.

Deuteri, một đồng vị nặng hiếm của hydro, gồm một proton và neutron. Khi ²⁰⁶Hg bắt một neutron từ bia deuteri, proton sẽ giật lùi. Các proton phát xạ trong suốt các phản ứng di chuyển đến máy dò của ISS, và mức năng lượng, vị trí của chúng đóng vai trò thông tin quan trọng về cấu trúc của các hạt nhân và cách chúng liên kết với nhau. Các đặc tính này có một tác động đáng kể trong quá trình bắt neutron nhanh và các kết quả thu được có thể hình thành các phép tính quan trọng trong các mô hình vật lý thiên văn hạt nhân.

ISS sử dụng một ý tưởng tiên phong do nhà nghiên cứu xuất sắc của Argonne là John Schiffer đề xuất là xây dựng HELIOS, một quang phổ kế quỹ đạo xoắn ốc – thiết bị sau này truyền cảm hứng cho sự phát triển của quang phổ kế ISS. HELIOS đã cho phép khai thác các đặc tính hạt nhân mà các thí nghiệm trước đây không thể có. Tuy nhiên HELIOS cũng từng được đề xuất tại Argonne kể từ năm 2008.  Thiết bị ISOLDE của CERN có thể tạo ra các chùm tia hạt nhân hoàn toàn giống như tại Argonne.

Trong thế kỷ vừa qua, các nhà vật lý hạt nhân đã có thể tập hợp thông tin về hạt nhân từ công trình nghiên cứu thông qua các va chạm của các chùm ion nhẹ lên các tấm bia nặng. Dẫu vậy, khi các chùm tia nặng bắn vào các bia nhẹ, vật lý của sự va chạm sẽ khác đi và khó phân tích hơn. Ý tưởng HELIOS của Argonne là giải pháp để loại sự khác biệt này.

“Khi anh có một viên đạn thần công của một chùm tia bắn vào một tấm bia mỏng mảnh, động học thay đổi và kết quả là các phổ sẽ bị nén lại”. Kay nói. “Nhưng John Schiffer nhận ra là khi va chạm xảy ra bên trong một nam châm, các proton phát ra sẽ chuyển động theo mẫu hình xoắn ốc hướng về máy dò, và bằng một “mẹo” toán học, sự nén động học này được giải mã, kết quả là một phổ không bị nén tiết lộ cấu trúc đặc trưng của hạt nhân”.

Phân tích đầu tiên trên dữ liệu từ thí nghiệm ở CERN xác nhận các dự đoán lý thuyết của các mô hình hạt nhân hiện tại, và nhóm nghiên cứu lập kế hoạch nghiên cứu các hạt nhân khác trong vùng của ²⁰⁷Hg bằng việc sử dụng các năng lực mới, đem lại những hiểu biết sâu sắc hơn về những vùng còn chưa biết của vật lý hạt nhân và quá trình bắt neutron nhanh.

Kết quả nghiên cứu này đã được xuất bản với tiêu đề “First exploration of neutron shell structure below lead and beyond N = 126” (Khám phá cấu trúc vỏ neutron đầu tiên dưới chì và vượt qua N = 126) trên Physical Review Letters.

Anh Vũ dịch

TS. Lê Xuân Chung (Viện KH&KT hạt nhân, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam) hiệu đính

Nguồn: https://phys.org/news/2020-03-physicists-heavy-elements.html