Các mô phỏng siêu máy tính đem lại cái nhìn mới vào kích thích từ hạt nhân gây tranh cãi của calcium-48
Siêu máy tính hiệu suất hàng đầu thế giới đang giúp giải quyết những kết quả nghiên cứu gây tranh cãi hơn một thập kỷ, có thể rọi ánh sáng mới vào bên trong sự suy sụp của các ngôi sao.
Các nhà vật lý hạt nhân tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (Bộ Năng lượng Mỹ) đã sử dụng Frontier, siêu máy tính nhanh nhất thế giới để tính toán các đặc tính từ của hạt nhân nguyên tử calcium-48. Phát hiện của họ, được xuất bản ở tạp chí Physical Review Letters, sẽ cung cấp không chỉ giúp hiểu sâu hơn về hiện tượng từ tính biểu hiện như thế nào bên trong các hạt nhân khác mà còn giúp giải quyết bất đồng giữa các thực nghiệm đem đến những kết luận khác nhau về hành vi từ tính của calcium-48. Thêm vào đó, nghiên cứu này có thể đem lại những cái nhìn mới vào các tương tác hạ nguyên tử xảy ra bên trong các siêu tân tinh.
“Hạt nhân calcium-48 có một trạng thái kích thích phân rã nhanh chóng bởi vì nó có những tương tác từ mạnh và là một trong những cường độ chuyển pha cao nhất”, Gaute Hagen, một nhà vật lý tính toán tại ORNL, nói. “Chúng tôi rất quan tâm đến những quy tắc chi phối cách các hạt nhân được tạo ra. Mô phỏng các lực cơ bản bên trong calcium-48 sẽ giúp chúng tôi hiểu tốt hơn cách nó tạo ra và có lẽ trao cho chúng tôi một số cái nhìn mới vào những gì các hạt nhân khác có thể tồn tại”.
Calcium-48 là một đồng vị quan trọng trong nghiên cứu khoa học. Các hạt nhân của nó được tạo thành từ 20 proton và 28 neutron – một sự kết hợp mà các nhà khoa học gọi là “kỳ diệu gấp đôi”. Những con số kỳ diệu – như 20 và 28 – là những con số cụ thể của các proton hoặc neutron đem lại độ ổn định bằng việc hình thành một lớp vỏ hoàn chỉnh bên trong các hạt nhân.
Tính liên kết mạnh và cấu trúc đơn giản của calcium-48 cũng khiến nó trở thành một thử nghiệm thú vị cho nghiên cứu về các lực mạnh và yếu nắm giữ các hạt với nhau hoặc tách chúng ra.
Giống như bật một công tắc đèn, sự tán xạ các electron hoặc photon khỏi calcium-48 đã khuấy động và kích thích các hạt nhân, nguyên nhân khiến nó trở nên có từ tính và lật ra. Hành động này, gọi là chuyển pha lưỡng cực từ, bị lấn át bởi lật spin của một neutron.
Những gì diễn ra trong khoảnh khắc chính xác này là những gì Hagen và cộng sự của anh đang nỗ lực để hiểu – một câu hỏi thách đố cộng đồng khoa học hơn một thập kỷ.
Sự bất đồng dài cả thập kỷ
Trong đầu những năm 1980, các nhà khoa học nghiên cứu chuyển pha lưỡng cực từ của calcium-48 bằng việc bắn phá đồng vị này bằng những chùm tia proton và electron. Các chùm tia này đã gia tốc các hạt nhân với mức xấp xỉ 10 megaelectron volts, hoặc MeV – chỉ đủ tạo ra một tín hiệu từ.
Họ xác định cường độ của chuyển pha từ thành bốn magneton hạt nhân bình phương. Magneton là đơn vị đo lường thường được sử dụng trong vật lý hạt nhân miêu tả hành vi từ của một hạt nhân.
Nhưng vào năm 2011, gần ba thập kỷ sau, các nhà nghiên cứu đạt được các kết quả khác nhau một cách đáng kể sau khi nghiên cứu đồng vị này với các tia gamma và kích thích hạt nhân này ở cùng mức năng lượng. Họ đo đạc một cường độ chuyển pha từ hầu như mạnh gấp đôi so với ghi nhận trước đây.
“Là những nhà vật lý hạt nhân, chúng tôi tính toán các hạt nhân từ các mảnh trên các mô hình lý thuyết tiên tiến bậc nhất về lực hạt nhân”, đồng tác giả Thomas Papenbrock, nhà vật lý ORNL và thành viên hợp tác tại trường đại học Tennessee, Knoxville. “Những bất đồng giữa những thực nghiệm khác nhau đã thúc đẩy chúng tôi đi tìm từ những kết quả chúng tôi có thể nhận được, nếu chúng tôi sử dụng những mô hình lý thuyết đó để nghiên cứu chuyển pha từ”.
Giải phóng Frontier
Siêu máy tính Frontier là cỗ máy tính exascale đầu tiên trên thế giới và có thể thực hiện hơn một tỉ tỉ tính toán mỗi giây. Sức mạnh tinh toán vượt trội của hệ thống này cho phép nhóm nghiên cứu của Hagen thực hiện các mô phỏng với hiệu quả và độ chính xác khác thường.
Nhóm nghiên cứu sử dụng một mô hình họi là lý thuyết trường hiệu dụng chiral để kết nối hiện tượng hạt nhân với lý thuyết cơ bản của lực hạt nhân mạnh – lý thuyết sắc động lực học lượng tử. Họ sử dụng một phương pháp số hiệu quả là phương pháp cụm kết cặp để tính toán các đặc tính của hạt nhân calcium-48. Cách tiếp cận này đem lại một sự dàn xếp giữa độ chính xác cao và chi tiết cũng như chi phí tính toán, khiến cho nó trở thành nhiệm vụ lý tưởng với Frontier.
Các mô phỏng này chứng tỏ là cường độ chuyển pha từ của calcium-48 nhất quán với kết quả của thực nghiệm tia gamma.
Nhưng việc rọi ánh sáng mới vào chuyển pha lưỡng cực từ không hoàn toàn như họ mong đợi. Họ cũng đã tìm hiểu các yếu tố khác như hiệu ứng liên tục miêu tả cách các hạt nhân tương tác với môi trường xung quanh. Thêm vào đó, họ kiểm tra cách các cặp nucleon – các hạt tìm thấy trong hạt nhân của một nguyên tử – tương tác bên trong hạt nhân trong suốt giai đoạn chuyển pha và cách chúng đóng góp vào toàn bộ các đặc trưng điện từ.
Các mô phỏng chứng tỏ là các hiệu ứng liên tục làm giảm cường độ chuyển pha từ khoảng 10%. Và, tương phản với niềm tin trước đây là những tương tác kết cặp nucleon nén hoặc làm yếu đáng kể cường độ chuyển pha từ, các mô phỏng chứng tỏ trong một số trường hợp, các hiệu ứng này gia tăng nhẹ cường độ chuyển pha từ.
“Hy vọng là điều này sẽ truyền cảm hứng cho các nhà thực nghiệm tái kiểm tra cách tiếp cận của họ và có những chỉnh sửa quan trọng. Hoặc có lẽ, trong thời điểm này, chúng tôi có thể tìm hiểu xem liệu những giá trị thấp hơn trong các thí nghiệm ở những năm 1980 trên thực tế có thể đúng không”, Hagen nói. “Đó có thể là do lý thuyết mà chúng tôi sử dụng không hoàn chỉnh, có thể gây sốc theo nhiều cách. Nhưng nói cách khác thì chúng tôi sẽ học hỏi được nhiều từ đó”.
Những gì chúng tôi chờ đợi là các tính toán sẽ khơi gợi những thảo luận mới giữa các nhà lý thuyết và các nhà thực nghiệm”, Papenbrock cho biết thêm. “Giờ thì điều này sẽ đưa quả bóng trở lại sân chơi thực nghiệm”.
Từ hạ nguyên tử đến thiên văn học
Bijaya Acharya, tác giả thứ nhất của nghiên cứu, là một nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ ở nhóm Vật lý lý thuyết và tính toán của ORNL. Một trong những nhiệm vụ chính của Acharya là phát triển các thuật toán cho phép nhóm nghiên cứu nghiên cứu nhiều hiệu ứng lượng tử bậc cao trong các mô phỏng. Anh chuyên về nghiên cứu các hạt neutrino – những hạt nhỏ bé được tạo ra từ vụ nổ sao di chuyển qua không gian tại gần tốc độ ánh sáng. Các hạt neutrino được tạo ra từ các phản ứng hợp hạch hạt nhân trong lõi mặt trời cũng như từ các lò phản ứng hạt nhân trên trái đất.
“Chúng tôi thấy sự đầy rẫy calcium-48 sâu bên trong lõi của một vụ suy sụp siêu tân tinh, nơi phát ra một số lượng lớn các neutrino”, Acharya nói. “Vật lý miêu tả cường độ chuyển pha từ trong calcium-48 cũng miêu tả cách các hạt neutrino tương tác với vật chất”.
“Điều đó đề xuất một điều là các cường độ chuyển pha lớn hơn cũng gợi ý các hạt neutrino nhiều khả năng tương tác với vật chất. Vì vậy nếu giá trị của cường độ chuyển pha từ lớn hơn trước đây từng nghĩ thì có nghĩa là việc tái gia nhiệt và các nhân tố khác liên quan với các tương tác neutrino trong các vụ nổ siêu tân tinh có thể lớn hơn và ngược lại với các giá trị nhỏ hơn. Và dĩ nhiên, có thể là ảnh hưởng lên hiểu biết của chúng ta về các hệ có khối lượng lớn hơn sẽ lớn hơn”.
Các ngôi sao như những nhà giả kim thuật, nhà vật lý hạt nhân ORNL và trưởng nhóm Raphael Hix giải thích. Bụi sao phát ra từ siêu tân tinh chứa một phạm vi lớn của các hạt nhân mới được tạo ra, trong một số trường hợp bao gồm cả calcium-48, và những nguyên tố nặng mới giep mầm cho việc tạo ra những thế hệ sao và hành tinh mới.
“Bạn không thể hiểu cách Mẹ thiên nhiên đã làm trong một ngôi sao, trừ phi bạn hiểu được các quy tắc mà bà đã áp đặt để đưa các hạt nhân lại với nhau. Về cơ bản đó là những gì các tính toán của Hagen đã thực hiện”, Hix nói. “Và giống như trò giả kim, một số sẽ được đưa các tính toán vào những tốc độ tương tác thú vị và sau đó những tỉ lệ tương tác khác sẽ được đưa bào các tính toán thiên văn học để giúp chúng ra hiểu sâu sắc hơn vũ trụ này”.
Vũ Nhàn dịch từ Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (Mỹ)
—————————————————
1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.232504
