Một lực hạt nhân bị bỏ qua lại giúp giữ độ bền của vật chất

Các nhà nghiên cứu từ ĐH Kyushu Nhật Bản, đã phát hiện một dạng lực đặc biệt trong một hạt nhân nguyên tử, được biết như lực ba nucleon, tác động đến độ bền của hạt nhân.

Nghiên cứu này, được xuất bản trên tạp chí Physics Letters B, có thể giúp lý giải tại sao các hạt nhân nhất định lại bền hơn những hạt nhân khác và có thể giúp giải thích các quá trình vật lý thiên văn như sự hình thành của các nguyên tố nặng bên trong các ngôi sao.

Tất cả vật chất đều được tạo ra từ các nguyên tử, các khối xây dựng cơ bản của vũ trụ. Phần lớn khối lượng của một nguyên tử được đóng gói trong các hạt nhân bé nhỏ, bao gồm các proton và các neutron (được biết đến như các nucleon). Việc hiểu về các nucleon đó tương tác với nhau để giữ độ bền hạt nhân và trong trạng thái năng lượng thấp đã là vấn đề trọng tâm của vật lý hạt nhân trong hơn một thế kỷ.

Lực hạt nhân mạnh nhất là lực của hai nucleon, hút hai nucleons ở khoảng cách xa, kéo chúng lại với nhau và đẩy chúng ở khoảng cách gần đủ để cho các nucleon khỏi gần nhau quá.

“Các nhà khoa học đã có được một hiểu biết sâu về lực hai nucleon và cách nó tác động lên độ bền hạt nhân”, tác giả thứ nhất của côn bố là Tokuro Fukui, trợ lý giáo sư Khoa Nghệ thuật và Khoa học ĐH Kyushu, nói. “Nói cách khác, lực ba nucleon, lực xuất hiện khi ba nucleon tương tác với nhau một cách đồng thời, lại phức tạp hơn nhiều và chưa được hiểu biết nhiều”.

Fukui miêu tả các lực hạt nhân bằng việc so sánh chúng với trò chơi bắt bóng. Với lực hai nucleon, hai nhân vật, hoặc hai nucleon, tương tác bằng việc ném một quả bóng cho nhau. Quả bóng này, một hạt hạt nguyên tử tên là meson, có thể có nhiều khối lượng khác nhau, với hạt meson nhẹ nhất được biết đến như một pion, phản hồi với cái hút ở khoảng cách xa giữa các nucleon.

Với lực ba nucleon, luôn luôn có ba người chơi, hay các nucleon, và các quả bóng, hay các meson, được tung ra giữa họ. Tại cùng thời điểm khi ném hoặc bắt bóng, những người chơi, hay các nucleon, cũng spin (tự quay tròn) và chuyển động theo một quỹ đạo trong các hạt nhân.

Dẫu lực ba nucleon đã từng được xem xét trong quá khứ khi so sánh với lực hai nucleon nhưng chưa được coi trọng lắm thì gần đây đã có nhiều nghiên cứu nhấn mạnh vào tầm quan trọng của nó. Hiện tại, nghiên cứu mới đã phân định cơ chế lực ba nucleon tăng cường độ bền của hạy nhân và chứng tỏ khi các nucleon gia tăng, lực này cũng được tăng thêm sức mạnh.

Trong nghiên cứu này, Fukui và cộng sự đã sử dụng lý thuyết hạt nhân tiên tiến và các mô phỏng siêu máy tính để nghiên cứu về trao đổi các pion giữa ba nucleon. Họ phát hiện ra khi hai pion được trao đổi giữa ba nucleon, các nucleon được ràng buộc theo cách chúng chuyển động và spin, chỉ với bốn cách kết hợp khả thể. Tính toán của họ cho thấy một sự kết hợp trong số đó, ‘hợp phần số-1’, đóng vai trò trung tâm trong việc thúc đẩy độ bền hạt nhân.

Sự xuất hiện của việc tăng độ bền, Fukui giải thích, là do tăng cường quá trình phân tách spin-quỹ đạo. Khi các nucleon spin và quay theo quỹ đạo ở cùng một hướng, sự thẳng hàng của các nucleon dẫn đến giảm thiểu năng lượng. Tuy nhiên khi các nucleon spin và quay theo quỹ đạo ở hướng ngược nhau, chúng tồn tại ở trạng thái năng lượng cao hơn. Điều đó có nghĩa là các nucleon ‘tách’ thành các lớp vỏ năng lượng khác nhau, khiến cho các hạt nhân này có một cấu trúc bền.

“Các mô phỏng siêu máy tính của chúng tôi chứng tỏ trong khi lực ba nucleon gia tăng, trạng thái năng lượng của các nucleon với một spin và quỹ đạo thẳng hàng, nó là nguyên nhân khiến cho các nucleon với các spin và quỹ đạo đối lập tăng thêm nhiều năng lượng. Điều này dẫn tới một khoảng trống năng lượng lớn giữa các lớp vỏ, khiến cho các hạt nhan thậm chí còn bền hơn”, Fukui nói.

Quan trọng hơn, hệ quả này trở nên sâu sắc hơn trong những hạt nhân nặng chứa nhiều nucleon. Ở các nguyên tố nặng được kiểm tra, carbon-12 với 12 nucleon – lực ba nucleon  là nguyên nhân dẫn đến khoảng trống năng lượng với con số 2,5.

“Hiệu ứng này lớn đến mức nó hầu như tương đương với tác động của lực hai nucleon. Chúng tôi chờ đợi hiệu ứng này thậm chí còn mạnh hơn với các nguyên tố nặng hơn carbon-12 mà chúng tôi đã lên kế hoạch thử nghiệm trong pha tiếp theo’, Fukui nói.

Lực ba nucleon đóng vai trò chính yếu trong việc hiểu về cách các nguyên tố nặng hình thành từ sự hợp nhất của các nguyên tố nhẹ hơn trong các ngôi sao. Khi lực này trở nên mạnh hơn trong các nguyên tố nặng, độ bền của nó tạo ra những khoảng trống năng lượng lớn hơn giữa các lớp vỏ hạt nhân.

Độ bền này khiến cho thêm nhiều thách thức hơn để hạt nhân hút thêm các neutron, vốn là điều thiết yếu cho hình thành các nguyên tố nặng hơn. Trong các trường hợp nơi hạt nhân có ‘một con số kỳ diệu’ của các proton hoặc neutron được nhồi đầy trong các lớp vỏ của nó, hạt nhân trở nên bền lạ thường, nghĩa là có thể có thêm nhiều gợi ý về quá trình hợp nhất.

“Hiểu về khoảng trống năng lượng giữa các lớp vỏ hạt nhân khác nhau là thông tin cốt yếu cho các nhà khoa học đang cố gắng dự đoán sự hình thành của các nguyên tố nặng. Họ không thể có được điều này nếu không hiểu biết về lực ba nucleon. Với các hạt nhân có con số kỳ diệu, các điều kiện đem lại số lượng lớn về mức năng lượng cũng có thể cần thiết”, Fukui nói.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu khám phá thêm một hiệu ứng bất ngờ khác về lực ba nucleon lên các spin của nucleon. Chỉ với lực hai nucleon, có thể đo đạc được một cách riêng rẽ trạng thái spin của cả hai nucleon. Tuy nhiên, lực ba nucleon tạo ra một rối lượng tử, nơi hai trong số ba nucleon có spin tồn tại ở cả hai trạng thái cùng lúc cho đến khi được đo đạc.

“Rối lượng tử của các nucleon có thể xuất hiện giống như với các electron, dẫu có những thách thức khác với khối lượng lớn hơn của các nucleon. Những khác biệt đó có thể có nhiều ứng dụng cho nghiên cứu trong tương lai, bao gồm các công nghệ mới nổi như tính toán lượng tử”, Fukui kết luận.

Thanh Phương dịch từ Kyushu University

Nguồn: https://www.kyushu-u.ac.jp/en/researches/view/322/