Xác nhận tính hai-lần số Magic của hạt nhân giàu neutron 78Ni: Thí nghiệm thành công trên giới hạn của các thiết bị hiện tại
Sau bốn bài báo trên tạp chí Physics Review Letter vào năm 2017, một thành công nữa lại đến với nhóm Hợp tác quốc tế SEASTAR mà các nhà nghiên cứu Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam tham gia: nghiên cứu xác nhận tính hai-lần số Magic của hạt nhân giàu neutron 78Ni tiếp tục được công bố trên tạp chí Nature. Với việc giải quyết được một vấn đề lớn cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm, công trình đã ghi một điểm mốc quan trọng của vật lý hạt nhân trước sự ra đời của thế hệ máy gia tốc mới trong các thập niên tiếp theo.
Nhà nghiên cứu Lê Xuân Chung.
Lịch sử phát triển vật lý hạt nhân và sự tồn tại của các số Magic
Ngay từ khởi đầu với hiện tượng phân rã phóng xạ do Henri Becquerel và Marie Curie phát hiện vào cuối thế kỷ 19, thế giới nguyên tử đã ẩn chứa trong lòng nó những điều bí ẩn cần được khám phá về cả phương diện lý thuyết lẫn thực nghiệm. Vào năm 1901, Ernest Rutherford và Frederick Soddy ghi nhận sự chuyển hóa giữa các nguyên tố hóa học. Năm 1911, Rutherford phát hiện ra hạt nhân nguyên tử, đánh dấu sự ra đời của vật lý hạt nhân. Hơn 20 năm sau, James Chadwick ghi nhận hạt neutron là anh em “sinh đôi” của proton nhưng không mang điện. Đến năm 1934, Frédérique và Irène Joliot-Curie khám phá hiện tượng phóng xạ nhân tạo. Đây là những nghiên cứu đầu tiên về các hạt nhân lạ – hạt nhân không tồn tại trên trái đất mà được tạo ra trong phòng thí nghiệm.
Trong xu hướng đó, các số Magic (số kỳ diệu) được biết đến vào năm 1949, khi Maria Goeppert-Mayer và J. Hans D. Jensen chỉ ra liên kết của các hạt proton và neutron trong hạt nhân tuân theo quy luật cơ học lượng tử một cách nghiêm ngặt: hạt nhân khi có số proton hoặc neutron bằng số Magic (2, 8, 20, 28, 50, 58 và 126) sẽ trở nên bền vững, lớp vỏ nhất định sẽ được lấp đầy (hay còn gọi là lớp vỏ đóng). Mô hình mẫu vỏ trở thành căn cứ vững chắc để giải thích cấu trúc của các hạt nhân bền. Đến thập niên 1980, Aage Bohn và Ben Mottelson lại chứng minh các tính chất và cấu trúc của hạt nhân có thể được mô tả tốt thông qua xấp xỉ trường trung bình dẫn đến dao động tập thể của các nucleon (hạt proton hay neutron). Tuy nhiên, trong thập niên 1990 tiếp theo, khoa học đã khám phá ra rất nhiều hiện tượng mới liên quan đến hạt nhân lạ. Cùng với sự phát triển của thực nghiệm, vật lý hạt nhân đòi hỏi phải có các cách giải thích mới bằng lý thuyết về bản chất thật sự của vật chất đậm đặc được hình thành từ tương tác mạnh. Theo cách đó, sự phát triển của vật lý hạt nhân đã dựa trên mối quan hệ tương hỗ giữa lý thuyết và thực nghiệm: thực nghiệm giúp khám phá những hiện tượng mới và ngược lại, lý thuyết đưa ra dự đoán và gợi ý cho thực nghiệm thực hiện các thí nghiệm đo đạc.
Nghiên cứu các hạt nhân lạ – hướng đi của vật lý hạt nhân hiện đại
Kể từ thập niên 1990, rất nhiều hiện tượng mới liên quan đến các hạt nhân lạ được phát hiện. Ví dụ như sự mở rộng phân bố vật chất của hạt nhân giàu neutron, thực nghiệm cho thấy phân bố neutron trải dài xa lõi trong hạt nhân 11Li, 11Be và bán kính của chúng thậm chí có thể so sánh được với bán kính của hạt nhân nặng hơn rất nhiều là 208Pb. Hay một điều thú vị khác là mật độ của vật chất hạt nhân giàu neutron có thể đạt đến hai lần mật độ bão hòa của chất hạt nhân trong điều kiện xác định. Sự xuất hiện của những dạng cấu trúc mới như sự tồn tại của các hạt nhân có hai neutron hóa trị (hạt Boromean), cũng như sự biến mất hay xuất hiện các số Magic mới (các hạt nhân lạ có số Magic theo mô hình mẫu vỏ lại không bền vững bằng các hạt nhân lân cận) đặt ra hàng loạt câu hỏi: Khi hạt nhân giàu neutron, có chênh lệch số neutron-trên-proton (N/Z) lớn, thì biểu hiện của trường trung bình sẽ như thế nào? Lý thuyết cần phải điều chỉnh ra sao để giải thích cho kết quả thực nghiệm? Đối với vật lý thiên văn, có rất nhiều quan sát thực nghiệm không trùng với dự đoán lý thuyết, ví dụ như độ giàu của các nguyên tố trong hệ mặt trời, tại sao sắt lại nhiều hơn vàng, hay làm sao để hình thành các nguyên tố nặng? Có thể lý giải nguyên nhân của các vấn đề này là dự đoán về lý thuyết vốn chỉ dựa vào những suy luận hoặc được mô hình hóa dựa trên những số liệu đang có. Trong khi đó, còn rất nhiều tính chất và phản ứng hạt nhân chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng.
Hình 1: Bảng hạt nhân, biểu diễn theo số neutron (N) và proton (Z). Chỉ có khoảng 3000 hạt nhân không bền được nghiên cứu (phần màu vàng), trong khi có hàng chục nghìn hạt nhân có trạng thái liên kết chưa biết (phần màu xanh). Trong đó, số hạt nhân bền chỉ có ít hơn 300 hạt (phần màu đen).
Theo tính toán, có đến hàng chục nghìn hạt nhân có trạng thái liên kết, nằm trong đường giới hạn neutron (xem hình 1) – do có thời gian sống nhất định, có thể rất ngắn ~ ms, nên chúng còn được gọi là các hạt nhân không bền – nhưng người ta mới chỉ nghiên cứu được khoảng 3.000 hạt.
Khó khăn trong việc nghiên cứu các hạt nhân lạ, không bền là chúng có thời gian sống rất ngắn, không thể áp dụng bằng cách thông thường là tạo bia rồi bắn phá chúng bằng chùm hạt proton, alpha. Do đó, phương pháp động học ngược ra đời với việc gia tốc chùm tia không bền rồi bắn phá vào bia proton, alpha… tạo ra các phản ứng phân mảnh hay phân hạch. Để thực hiện cách tiếp cận này, cần có các máy gia tốc có năng lượng đủ lớn và là tổ hợp của nhiều quá trình như gia tốc hạt để tạo phản ứng phân mảnh, sau đó lựa chọn sản phẩm phân mảnh cần nghiên cứu rồi gia tốc bắn vào bia. Khó khăn tiếp theo mà các nhà nghiên cứu cần giải quyết là xác suất tạo thành các hạt nhân không bền rất nhỏ trong khi các nghiên cứu luôn cần số lượng sự kiện đủ lớn để kết luận một hiện tượng vật lý. Chính vì vậy hướng nghiên cứu các hạt nhân lạ không bền thường được thực hiện trên hệ máy gia tốc lớn tại các nước như Nhật Bản, Pháp, Hoa Kỳ, Đức, Nga…
Thực nghiệm trực tiếp xác nhận tính hai-lần số Magic của hạt nhân giàu neutron 78Ni
Trong số các hạt nhân lạ, 78Ni có nhiều nét đặc biệt với số Z=28 và N=50. Theo mô hình lớp vỏ, đây sẽ là một hạt nhân hai-lần số Magic, thậm chí còn bền vững hơn hạt nhân Magic, mặt khác đây còn là hạt nhân lạ, giàu neutron. Cùng với những quan sát việc điều chỉnh lớp vỏ trong hạt nhân lạ trong rất nhiều thí nghiệm trước đó như 52,54Ca, lớp vỏ đóng tại Z=6 trong C…, việc nghiên cứu 78Ni sẽ giúp chúng ta mở rộng hiểu biết về cấu trúc hạt nhân. Từ kết quả đo đạc, lý thuyết sẽ có thể trả lời câu hỏi liệu rằng khi đi xa vùng Đảo bền (xem hình 1) thì tương tác 3 hạt hay sự điều chỉnh lớp vỏ là quan trọng? Thông tin về 78Ni cũng rất hữu ích trong việc giải thích độ giàu của các nguyên tố trong vật lý thiên văn bởi hạt nhân này có N/Z~1.79, là hạt nhân hai-lần số Magic giàu neutron nhất mà còn có trạng thái liên kết chặt chẽ.
Với sự hấp dẫn riêng của mình, 78Ni đã thu hút được nhiều nỗ lực nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới, cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm. Để nghiên cứu về cấu trúc của các hạt nhân lạ, người ta thường áp dụng một số phương pháp như: hệ thống hóa khối lượng các đồng vị, từ đó xác định năng lượng tách 2 neutron; hệ thống hóa thời gian bán rã phân rã beta của các đồng vị (T1/2-beta); đo hệ thống năng lượng kích thích đầu tiên E(2+1).
Theo tính toán lý thuyết, tiết diện tạo ra hạt nhân này rất nhỏ, dẫn đến khó khăn về mặt thực nghiệm và nếu không có sự kết hợp ưu thế thiết bị thì chỉ có thể thực hiện thí nghiệm khi chùm tia phóng xạ gấp mười lần khả năng của máy gia tốc hiện đại nhất hiện nay. Điều này chỉ khả thi với thế hệ máy gia tốc tiếp theo trong những thập niên tới.
Năm 1995, lần đầu tiên các nhà khoa học tại Viện nghiên cứu ion nặng GSI (Đức) công bố tạo được 3 sự kiện 78Ni trên các thiết bị của mình. 10 năm sau, lần đầu tiên thí nghiệm đo phân rã beta của 78Ni được thực hiện tại Phòng thí nghiệm máy gia tốc siêu dẫn quốc gia Hoa Kỳ NSCL đặt tại trường Đại học Bang Michigan. Tuy nhiên, chỉ có 10 sự kiện được ghi nhận nên không đủ thống kê để kết luận về cấu trúc hạt nhân này bởi thông thường số liệu thống kê cần thiết cần lên đến hàng trăm sự kiện.
Trong bối cảnh đó, dự án nghiên cứu cấu trúc hạt nhân lạ mang tên SEASTAR (Shell evolution and search for two-plus energies At RIBF) với ba giai đoạn thí nghiệm, thực hiện tại Viện nghiên cứu Lý hóa (RIKEN), Nhật Bản từ năm 2014 đến 2017. Đúng như tên gọi của mình, Sự tiến hóa của lớp vỏ và cuộc tìm kiếm năng lượng trạng thái hai-cộng tại RIBF (RIBF – Radioactive ion beam facility: thiết bị gia tốc chùm tia phóng xạ), SEASTAR hướng tới đo đạc năng lượng trạng thái kích thích đầu tiên của hạt nhân và cung cấp thêm số liệu thực nghiệm, bao gồm rất nhiều số liệu lần đầu tiên được ghi nhận. Dự án này kết hợp ưu thế của những thiết bị tiên tiến nhất hiện tại như hệ máy gia tốc chùm tia phóng xạ cường độ lớn, detector đo đạc hiệu suất cao với góc mở xấp xỉ 4p (DAILI2 – Detector Array for Low Intensity radiation ) tại RIKEN và thiết bị bia hoạt (MINOS – Magic numbers off stability) có khả năng đo vị trí tương tác của Viện nghiên cứu các định luật cơ bản của vũ trụ (IRFU), Viện Năng lượng nguyên tử Pháp.
Một trong những trọng tâm của dự án là việc thực hiện thí nghiệm trên hạt nhân 78Ni. Ở phương pháp đo hệ thống năng lượng kích thích đầu tiên do SEASTAR sử dụng, giá trị E(2+1) của các hạt nhân Magic với lớp vỏ đóng thường rất cao so với của các hạt nhân lân cận với nó trên Bảng hạt nhân, hình 1.
Trong quá trình thực hiện thí nghiệm, năm 2014, SEASTAR đã bắt đầu ghi nhận được những thống kê lớn hơn về cấu trúc hạt nhân. Mặc dù vậy, kết quả này cũng chưa đủ chặt chẽ để kết luận lớp vỏ đóng (tính Magic) trong 78Ni bởi vì phân rã beta phụ thuộc vào trạng thái của các hạt nhân mẹ và hạt nhân sản phẩm. Một số lý thuyết giải thích kết quả đo phân rã beta nói trên đã gián tiếp xác nhận tính hai-lần số Magic của hạt nhân 78Ni.
Theo kết quả thực nghiệm theo số Z và N (xem hình 2), giá trị năng lượng E(2+1) mà SEASTAR đo được trên 78Ni là bằng 2.6 MeV, cao hơn hẳn các hạt nhân lân cận của 78Ni trên Bảng hạt nhân. Đây là bằng chứng trực tiếp xác nhận tính bền vững với lớp vỏ đóng (tính hai-lần số Magic) của hạt nhân này. Một trạng thái nữa cũng được ghi nhận có năng lượng 2.9 MeV. Theo các tính toán lý thuyết, trạng thái 2.6 MeV tương ứng với dạng hình cầu của hạt nhân 78Ni còn trạng thái 2.9 MeV tương ứng với trường hợp hạt nhân biến dạng elip dẹt hình thành tử dao động tập thể của các nucleon (khi hạt nhân có hình dạng khác với hình cầu đều được gọi là biến dạng). Điều thú vị ở đây là hai năng lượng này khá gần nhau nên rất dễ có sự chuyển hóa lẫn nhau. Khi đó, hạt nhân thay đổi hình dạng từ cầu sang elip dẹt hoặc ngược lại (hình 3). Đây là một tính chất rất đặc biệt của các hạt nhân giàu neutron.
Hình 2: Hệ thống năng lượng kích thích E(2+1) theo số Z và N [1]. Giá trị tại 78Ni lần đầu ghi nhận bởi chiến dịch thí nghiệm SEASTAR, cao vọt so với các hạt nhân lân cận. Điều này khẳng định tính hai-lần số Magic của hạt nhân này.
Với ý nghĩa quan trọng khi giải quyết được vấn đề nghiên cứu hạt nhân 78Ni, kết quả của SEASTAR đã được đăng tải trên Nature, một trong những tạp chí uy tín với chỉ số impact factor là 41.577 và chỉ chấp nhận đăng những công trình tiêu biểu, giải quyết được vấn đề khoa học lớn.
Về mặt công nghệ, kết quả đo đạc 78Ni thành công trên giới hạn cho phép của các thiết bị hiện đại nhất hiện nay và là giới hạn trong khoảng một thập niên tiếp theo. Với sự cải tiến về năng lượng và cường độ chùm tia, đang được xây dựng và nâng cấp từ các thiết bị đang có của FRIB (Hoa Kỳ), FAIR tại viện GSI (CHLB Đức), SHE tại Viện Liên hợp hạt nhân Dubna (Liên bang Nga), CARIF tại trường Đại học Bắc Kinh (Trung Quốc)…, thiết bị thế hệ mới đang được kỳ vọng sẽ hé lộ thêm nhiều bí ẩn của thế giới các hạt nhân không bền, trong đó, chắc chắn những nghiên cứu sâu hơn về 78Ni sẽ được tiếp tục thực hiện.
Hình 3: Sự cạnh tranh hình cầu (Spherical) và biến dạng elip dẹt (Deformed) trong hạt nhân 78Ni. Nguồn: Nature.
Cơ hội học hỏi của các nhà nghiên cứu Việt Nam
Giống như các dự án thực nghiệm hạt nhân khác, SEASTAR thu hút rất đông đảo số lượng các nhà nghiên cứu tham gia: gần 100 nhà khoa học đến từ 17 cơ sở nghiên cứu của các viện và trường trên khắp thế giới. Thông qua chương trình Nghị định thư “Nghiên cứu vật lý các hạt nhân không bền trong phòng thí nghiệm liên hợp Việt – Pháp LIA” với kinh phí hỗ trợ từ Bộ KH&CN cùng các đồng nghiệp quốc tế, các nhà nghiên cứu tại Viện KH&KT hạt nhân (Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam) đã tham gia SEASTAR. Khi chương trình Nghị định thư kết thúc, từ tháng 11/2018, họ tiếp tục nhận được sự tài trợ của Bộ KH&CN thông qua một đề tài thuộc Chương trình phát triển Vật lý đến năm 2020 “Nghiên cứu cấu trúc hạt nhân và phản ứng hạt nhân trên các thiết bị lớn của trung tâm nghiên cứu hạt nhân tiên tiến trên thế giới” (11/2018-10/2021).
Trong thời gian tham gia SEASTAR, chúng tôi đã cùng các đồng nghiệp quốc tế thu thập và phân tích số liệu trên cả ba đợt thí nghiệm vào các năm 2014, 2015 và 2017, trong đó thí nghiệm trên 78Ni được thực hiện trong thời gian đầu của SEASTAR năm 2014. Việc có mặt tại những dự án lớn như SEASTAR là cơ hội học hỏi cho các nhà nghiên cứu trẻ Việt Nam. Nếu thời gian ban đầu, chỉ có tôi tham gia nghiên cứu nhưng đến thời kỳ sau, khi SEASTAR mở rộng quy mô, Viện KH&KT hạt nhân đã có thêm hai đại diện nữa là nghiên cứu sinh Bùi Duy Linh và học viên Nguyễn Đức Tôn. Hiện tại Bùi Duy Linh đang phân tích số liệu SEASTAR đo đạc được năm 2017 để bảo vệ TS với chủ đề “Nghiên cứu cấu trúc của các hạt nhân giàu neutron 49Cl thông qua phân tích phổ năng lượng kích thích và phân bố xung lượng của phân mảnh sau phản ứng” và Nguyễn Đức Tôn cũng sẽ thực hiện luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu cấu trúc của các hạt nhân giàu neutron 63,65Cr thông qua phân tích phổ năng lượng kích thích”. Đây là những kết quả đẹp mà nhóm nghiên cứu thực nghiệm của Viện KH&KT hạt nhân có được qua dự án này. □
