Bằng chứng về con số kỳ diệu Z=6 trong các đồng vị carbon
Bằng sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và thực nghiệm, các nhà vật lý hạt nhân tại Viện Vật lý (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) và các đồng nghiệp quốc tế tại trường đại học Osaka đã tìm được các bằng chứng về sự tồn tại của con số kỳ diệu Z=6 trong các đồng vị của nguyên tố carbon. Không chỉ có được công bố trên tạp chí Nature Communications, việc giải quyết bài toán này còn góp phần đào tạo một số gương mặt trẻ nhiều tiềm năng cho vật lý hạt nhân thực nghiệm Việt Nam.
GS I.Tanihata, GS Lê Hồng Khiêm (thứ 3 và 4 từ trái sang) và TS Trần Đình Trọng (ngồi) cùng các nhà nghiên cứu Nhật Bản trong phòng thí nghiệm tại Đại học Osaka.
Trong vật lý hạt nhân, việc tìm ra bằng chứng về sự tồn tại của các con số kỳ diệu (magic number), hay con số “ma thuật”(số proton hoặc neutron trong hạt nhân) là điều thôi thúc nhiều nhà vật lý hạt nhân thực nghiệm trên thế giới nhiều năm qua. Theo lý giải trên Physicsworld của GS Yuri Litvinov (Trung tâm nghiên cứu Ion nặng Helmholtz GSI, Đức), việc nghiên cứu về các con số kỳ diệu này có thể làm tăng thêm hiểu biết của chúng ta về các lực tương tác hạt nhân và vật lý thiên văn hạt nhân (nuclear astrophysics), nơi sự tiến hóa của lớp vỏ hạt nhân có thể ảnh hưởng một cách mạnh mẽ đến quá trình tổng hợp hạt nhân trong các sao. Đặc biệt, việc hiểu về cấu trúc vỏ trong hạt nhân nhẹ có thể giúp các nhà nghiên cứu phát triển các mô hình cấu trúc hạt nhân và hiểu hơn về hạt nhân nặng1.
“Bằng chứng về con số kỳ diệu Z=6 trong đồng vị carbon giàu neutron” (Evidence for prevalent Z = 6 magic number in neutron-rich carbon isotopes) mới được xuất bản trên Nature Communications – tạp chí chuyên về vật lý, hóa học, khoa học trái đất và sinh học có hệ số ảnh hưởng 12.124, là một công trình như vậy. Là kết quả của nhiều năm nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu hạt nhân (trường Đại học Osaka, Nhật Bản), công trình được đánh giá là đã đem lại “những kiến thức cơ bản về lực tương tác spin-quỹ đạo, từ đó cho phép giải thích được sự xuất hiện của các số magic trong hạt nhân và sự bền vững của hạt nhân, những yếu tố quan trọng để hiểu về hạt nhân nguyên tử” như trong thông cáo báo chí của trường Đại học Tổng hợp Osaka 2.
Truy tìm bằng chứng về con số kỳ diệu Z=6
Trong vật lý hạt nhân, các nhà lý thuyết đã đề xuất các con số kỳ diệu là 2, 8, 20, 28, 50, 82 hay 126. Sự bền vững trong kết cấu của các hạt nhân có số lượng proton (hoặc/và neutron) là một trong số các con số kỳ diệu khiến “muốn tách một neutron hoặc một proton ra khỏi hạt nhân hoặc đưa thêm vào hạt nhân cũng rất khó”, GS. TS Lê Hồng Khiêm – Viện trưởng Viện Vật lý và là một trong những tác giả của công bố, giải thích.
Được Mendeleev công bố vào năm 1869, bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học được dùng để minh họa tính tuần hoàn trong thuộc tính của các nguyên tố đã biết cũng như tiên đoán các thuộc tính của các nguyên tố chưa biết. Dù thấy các nguyên tử có số electron bằng một trong những số 2, 10, 18, 36, 54 và 86 rất bền vững về mặt hóa học nhưng với những hiểu biết lúc đó, người ta không thể giải thích được sự liên hệ của nó với tính chất hóa học của các nguyên tố tương ứng nên đã gọi là dãy số “kỳ diệu” của các nguyên tố hoá học. Chỉ đến khi cơ học lượng tử ra đời vào vào đầu thế kỷ 20, sự liên hệ này mới được giải thích dựa vào việc giải phương trình chuyển động (phương trình Schrodinger) của electron trong trường lực tĩnh điện (lực Coulomb).
Cùng khoảng thời gian đó các nhà khoa học cũng phát hiện ra dãy số tương tự cho các hạt nhân nguyên tử. Các hạt nhân có số proton hoặc neutron là một trong các số 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 sẽ trở nên bền vững hơn nhiều so với các hạt nhân lân cận. Với giả thuyết lực hạt nhân là lực điều hòa (harmonic ossilator) chỉ phụ thuộc vào khoảng cách, các nhà khoa học giải thích được sự tồn tại của 2, 8,20 và dựa vào hiện tượng luận (phenomenological), Goeppert Mayer và J. Hans D. Jensen– hai nhà vật lý được trao giải Nobel 1963, đã đề xuất bổ sung lực tương tác spin quỹ đạo trong tương tác giữa các nucleon, nhờ đó giải thích về mặt lý thuyết sự tồn tại của 28, 50, 82 và 126, đồng thời tiên đoán, các số 6 và 14 cũng là các con số kỳ diệu, trong đó số 6 từ cấu trúc halo của các hạt nhân nhẹ.
Sau này, dù đã tìm được bằng chứng cho thấy 14 là con số “kỳ diệu” trong một số đồng vị của Silicon (Z=14) nhưng sự tồn tại của con số 6 vẫn là điều bí ẩn. “Đây là lý do vì sao GS I.Tanihata, nhà vật lý hạt nhân thực nghiệm xuất sắc của Nhật Bản từng khám phá ra cấu trúc halo và cấu trúc skin của các hạt nhân không bền giàu neutron, lại ấp ủ ý tưởng tìm câu trả lời. Chúng tôi may mắn có mối quan hệ thân thiết với ông từ năm 1989. Do đó, khi biết được ý định của ông, chúng tôi đã thảo luận với ông về kế hoạch thực hiện thí nghiệm về số 6 tại Đại học Tổng hợp Osaka, trong đó nhóm Việt Nam là nguồn nhân lực chính”, GS Lê Hồng Khiêm cho biết.
Để giải quyết được vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã tiếp cận vấn đề theo hai hướng, lý thuyết và thực nghiệm, trong đó lý thuyết không chỉ để kiểm tra kết quả thực nghiệm mà còn đưa ra những tính toán mô phỏng để chuẩn bị cho việc thiết kế thí nghiệm, “yếu tố quan trọng đảm bảo thí nghiệm thành công” như nhận định của GS Lê Hồng Khiêm.
Bằng chứng về số magic proton bằng 6 (xem mũi tên màu xanh) thu được qua việc đánh giá một cách hệ thống các số liệu thực nghiệm. (a) Bán kính phân bố proton không phụ thuộc vào khối lượng hạt nhân. (b) Xác suất chuyển dời điện, (c) Khe vỏ proton (proton shell gap), (d) Sự phụ thuộc của khe vỏ proton vào số neutron và proton.
Việc kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết và thực nghiệm không hẳn dễ dàng. Để thiết kế được thí nghiệm cần có những hiểu biết sâu sắc về thực nghiệm và ngược lại, tiến hành thực nghiệm cũng cần có kiến thức về lý thuyết để nắm vững các bước, các quy trình cần thiết. Điều may mắn là từ TS. Hooi Jin Ong (Trung tâm nghiên cứu Vật lý hạt nhân) – tác giả chính, đến TS. Trần Đình Trọng (Viện Vật lý) – tác giả thứ nhất, hay các thành viên còn lại, cũng đều nắm khá vững yêu cầu, đặc biệt TS. Trần Đình Trọng là người có mặt trong hầu hết mọi công đoạn tính toán và thực nghiệm.
Trong thí nghiệm này, các nhà khoa học đã đo bán kính phân bố proton của các hạt nhân không bền được tạo ra trên tổ hợp gia tốc cyclotron và thiết bị tách hạt bằng từ trường tại Trung tâm nghiên cứu hạt nhân của Đại học Tổng hợp Osaka. Bán kính phân bố này được rút ra từ tiết diện phản ứng thay đổi điện tích. Đây là thí nghiệm rất phức tạp vì phải sử dụng nhiều detector – thiết bị dùng để ghi nhận sự hiện diện các hạt, hết sức hiện đại và đắt tiền, đồng thời đòi hỏi sự chuẩn bị phải kỹ đến từng chi tiết để đảm bảo sự thành công. Với sự hướng dẫn của GS I.Tanihata, các nhà nghiên cứu Việt Nam đã tính toán mô phỏng thiết kế detector MUSIC – thiết bị quan trọng đo quỹ đạo bay của các hạt, đặt hàng các nhà sản xuất Nhật Bản và tự tay lắp ráp thiết bị.
Thiết bị mới là một phần của thành công, phần công việc chính yếu của các nhà nghiên cứu là mô phỏng thiết kế thí nghiệm, viết các phần mềm phân tích số liệu on-line và off-line, tính toán lý thuyết dùng mô hình Glauber… để thực hiện nhiều thí nghiệm đo bán kính phân bố của các proton trong các đồng vị khác nhau của nguyên tố carbon (các đồng vị có cùng số proton nhưng có số neutron khác nhau) và tìm hiểu sự tách mức do tương tác spin – quỹ đạo đối với các đồng vị của carbon thông qua phân tích số liệu đo được.
TS. Trần Đình Trọng cho biết: “Việc kết hợp các kết quả đo bán kính phân bố proton với tốc độ chuyển dời tứ cực điện và số liệu về khối lượng nguyên tử đã cho phép chúng tôi đoán nhận rất có thể có một đồng vị của carbon với số magic bằng 6”. Trên thực tế, việc đoán nhận được số magic bằng 6 đã cho phép họ nghiên cứu nguồn gốc của việc tách mức do tương tác spin-quỹ đạo trong hạt nhân mà theo TS. Hooi Jin Ong,“việc tách mức tồn tại phổ biến ở tất cả các vùng hạt nhân”3.
Đào tạo các nhà nghiên cứu trẻ
Trong một cuộc trao đổi vào tháng 1/2018, GS Lê Hồng Khiêm cho biết, để tiến hành những nghiên cứu vật lý hạt nhân hiện đại cần phải hội tụ rất nhiều yếu tố quan trọng, đó là: có đầy đủ trang thiết bị hệ máy gia tốc lớn, hệ điện tử ghi nhận…; lượng kinh phí đầu tư lớn; và nguồn nhân lực trình độ cao. “Hiện tại Việt Nam thiếu tất cả các yếu tố này, ví dụ về thiết bị tuy cũng đã có một số máy gia tốc nhưng các máy gia tốc này chưa đủ mạnh để nghiên cứu về hạt nhân không bền”, ông nhận xét. Đây cũng là lý do giải thích vì sao tất cả các thí nghiệm vật lý hạt nhân hiện đại của nhóm nghiên cứu của Viện Vật lý đều diễn ra tại các trung tâm nghiên cứu hạt nhân lớn trên thế giới, nơi có đầy đủ các thiết bị cần thiết. Thí nghiệm dẫn đến công bố này của chúng tôi cũng được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân của Đại học Tổng hợp Osaka và gần như toàn bộ kinh phí cần cho thí nghiệm cũng do Nhật Bản bỏ ra. “Nguồn lực đầu tư của Việt Nam chỉ hạn chế ở mức chi trả tiền vé máy bay đi lại và một phần kinh phí sinh hoạt cho một vài thành viên người Việt tham gia thí nghiệm” – ông nói.
Không thể so sánh về quy mô với những thí nghiệm vật lý năng lượng cao như ở Trung tâm hạt nhân châu Âu (CERN) thu hút cả nghìn người tham gia nhưng những thí nghiệm về vật lý hạt không bền cũng cần những tập thể khoa học khoảng vài chục người. GS Lê Hồng Khiêm cho biết, số lượng những nhà nghiên cứu Việt Nam có thể thực hiện được thí nghiệm này không nhiều nhưng công bố trên Nature Communications đã cho thấy: Việt Nam bắt đầu có những nhóm thực nghiệm có thể làm chủ và thực hiện được các thí nghiệm vật lý hạt nhân hiện đại, ví dụ “trong nghiên cứu này, nhóm Việt Nam đã tham gia gần như toàn bộ các công đoạn của thí nghiệm: tham gia thiết kế detector MUSIC, kiểm tra các detector, thiết kế lắp ráp thí nghiệm, đo on-line, phân tích số liệu thí nghiệm và tính toán lý thuyết… Đặc biệt, Trần Đình Trọng và Nguyễn Trần Thọ đã đóng vai trò rất quan trọng cho sự thành công của thí nghiệm”.
Một điều đặc biệt là ngoại trừ GS Lê Hồng Khiêm, các thành viên còn lại đều rất trẻ và mới ở giai đoạn đầu của nghiên cứu, trong đó Trần Đình Trọng, Nguyễn Trần Thọ đều là các nghiên cứu sinh và kết quả của thí nghiệm này cũng là nội dung của hai luận án tiến sĩ của họ. “Việc tham gia những thí nghiệm như thế này đã đem lại cho các bạn trẻ những kiến thức mới, quan trọng hơn, họ nắm được toàn bộ quy trình thực hiện một thí nghiệm hạt nhân hiện đại. Đây là ‘thắng lợi’ lớn nhất mà chúng tôi có sau nghiên cứu này”, GS Lê Hồng Khiêm cho biết.
Vậy về lâu dài, vật lý hạt nhân Việt Nam cần làm những gì để có thêm những nhà nghiên cứu trẻ có trình độ cao? Theo quan điểm của GS Lê Hồng Khiêm, với những đặc thù riêng có của vật lý hạt nhân thực nghiệm, đặc biệt là nghiên cứu cấu trúc của các hạt nhân không bền, chỉ một số quốc gia trên thế giới đủ điều kiện đầu tư từ A đến Z cho các nghiên cứu như Nga, Mỹ, Nhật Bản, Pháp…, vì thế nhiều quốc gia cũng lựa chọn cách cử các nhóm nghiên cứu của họ tới các trung tâm lớn trên thế giới để tham gia thí nghiệm, qua đó đào tạo nhân lực và khi đủ người, tiến tới có thể thực hiện những thí nghiệm của riêng mình trên các thiết bị của họ. Việt Nam cũng áp dụng cách làm này của quốc tế và hi vọng khoảng 5-10 năm nữa sẽ đủ lực lượng trình độ cao để có thể tự thực hiện các thí nghiệm theo ý tưởng của mình tại các viện nghiên cứu lớn, ví dụ tại Viện Liên hợp hạt nhân Dubna mà Việt Nam là thành viên. Đây cũng là mục tiêu mà các nhà vật lý hạt nhân Việt Nam đặt ra trong tương lai gần.
——-
1. https://physicsworld.com/a/neutron-rich-and-doubly-magic-nucleus-is-a-first/
2, 3. http://resou.osaka-u.ac.jp/en/research/2018/20180423_1
