Kiểm tra cách chúng ta hiểu về các lực trong vũ trụ

Một khám phá mới của một nhóm nghiên cứu do các nhà vật lý hạt nhân UMass Lowell dẫn dắt có thể làm thay đổi cách hiểu về các nguyên tử và giúp giải thích hiện tượng cực đoan ngoài không gian.

Trường đại học Michigan là nơi đặt Phòng thí nghiệm máy gia tốc Cyclotron siêu dẫn quốc gia

Đột phá này cho thấy một đối xứng tồn tại bên trong lõi của nguyên tử không như các nhà khoa học vẫn tin tưởng, Khám phá này đã rọi ánh  sáng vào những lực hoạt động trong các hạt nhân nguyên tử, mở cánh cửa cho những hiểu biết sâu sắc hơn về vũ trụ này. Nghiên cứu đã được xuất bản trên Nature “Mirror-symmetry violation in bound nuclear ground states”.

Khám phá này được hình thành khi nhóm nghiên cứu do UMass Lowell dẫn dắt đang nghiên cứu để xác định cách hạt nhân nguyên tử được tạo ra trong các bùng phát tia X –  các bùng nổ xảy ra trên bề mặt các ngôi sao neutron, vốn là những tàn dư của những ngôi sao có khối lượng lớn ở cuối vòng đời.

“Chúng tôi đang nghiên cứu cái gì xảy ra bên trong hạt nhân của các nguyên tử này để có thể hiểu biết rõ hơn về các hiện tượng trong vũ trụ và cuối cùng, để trả lời một trong những câu hỏi lớn nhất trong khoa học – các nguyên tố hóa học được tạo ra trong vũ trụ như thế nào”, Andrew Rogers, một trợ lý giáo sư vật lý ở UMass Lowell và là người dẫn dắt nhóm nghiên cứu, nói.

Nghiên cứu này được Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) tài trợ cho UMass Lowell và được thực hiện tại Phòng thí nghiệm máy gia tốc Cyclotron siêu dẫn quốc gia (NSCL) tại trường đại học Michigan. Tại phòng thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra hạt nhân nguyên tử ‘lạ’ để đo đạc các đặc điểm của nó theo thứ tự nhằm biết được vai trò của chúng như các khối cơ bản của vật chất, vũ trụ và sự sống.

Các nguyên tử là một trong những đơn vị nhỏ nhất của vật chất. Mỗi nguyên tử đều gồm có các electron quay theo quỹ đạo quanh một hạt nhân bé tí nằm sâu trong lớp lõi, vốn chứa phần lớn khối lượng và năng lượng nguyên tử. Hạt nhân nguyên tử được tạo ra từ hai hạt mới được nhận diện gần đây: các proton mang điện tích và các neutron không mang điện tích. Số lượng các proton tỏng một hạt nhân được xác định với nguyên tố hạt nhân trên bảng tuần hoàn và tính chất hóa học của nó. Các đồng vị của một nguyên tố có cùng số lượng proton nhưng lại có số lượng neutron khác biệt.

Tại NSCL, hạt nhân được gia tốc tới gần tốc độ ánh sáng và vỡ ra thành nhiều mảnh tạo ra strontium-73 – một đồng vị hiếm không được tìm thấy trên trái đất nhưng tồn tại trong thời gian ngắn ngủi trong suốt vi phạm nhiệt hạch các bùng phát tia X trên bề mặt của sao neutron. Đồng vị này của strontium chứa 38 proton và 35 neutron và chỉ tồn tại trong một phần nhỏ của giây.

Làm việc trong vòng hơn 8 ngày, nhóm nghiên cứu đã tạo ra hơn 400 hạt nhân strontium-73 và so sánh chúng với những đặc tính đã biết của bromine-73, một đồng vị chứa 35 proton và 38 neutron. Với số lượng proton và neutron được hoán đổi, hạt nhân bromine-73 nuclei được coi như “các đối tác gương” với hạt nhân strontium-73. Đối xứng gương trong hạt nhân tồn tại với sự tương đồng giữa các proton và neutron, và là cơ sở cho hiểu biết về vật lý hạt nhân.

Cứ khoảng nửa giờ, các nhà nghiên cứu lại tạo ra một hạt nhân strontium-73, vận chuyển nó thông qua máy phân tách đồng vị của NSCL và sau đó mang các hạt nhân đến một điểm trong trung tâm của dãy máy dò phức hợp, nơi họ có thể quan sát được các hành xử của chúng. Bằng việc nghiên cứu sự phân rã phóng xạ của các hạt nhân này, các nhà khoa học đã thấy strontium-73 hành xử một cách khác biệt so với bromine-73. Khám phá này làm dấy lên những câu hỏi mới về các lực hạt nhân, theo quan điểm của Rogers.

“Strontium-73 và bromine-73 cần xuất hiện với sự giống hệt nhau trong cấu trúc nhưng thật ngạc nhiên là trên thực tế lại không như vậy. Việc thăm dò các đối xứng tồn tại trong tự nhiên là một công cụ rất hữu hiệu với các nhà vật lý. Khi các đối xứng bị phá vỡ, nó cho chúng ta thấy có cái gì đó không đúng với hiểu biết của chúng ta và chúng ta cần có một cái nhìn gần hơn để có thể hiểu được nó,” Rogers nói.

Những gì các nhà khoa học thấy sẽ thách thức lý thuyết hạt nhân, theo lời Daniel Hoff, một nhà nghiên cứu ở UMass Lowell và là tác giả thứ nhất của bài báo, nói.

“So sánh các hạt nhân strontium-73 và bromine-73 giống như nhìn vào một tấm gương và không thấy người trong gương giống mình. Một khi chúng ta thuyết phục chính mình là những gì chúng ta thấy là sự thật, chúng ta có lẽ rất phấn khích”, Hoff nói.

Là một phần của nghiên cứu này, các tính toán lý thuyết hiện đại bậc nhất do Simin Wang, một nhà nghiên cứu tại trường, đảm trách và được Witold Nazarewicz, giáo sư John A. Hannah vật lý xuất sắc và người phụ trách Cơ sở Chùm tia đồng vị hiếm (FRIB) của trường, sẽ chính thức hoạt động vào năm tới.

Công trình của các nhà nghiên cứu này đã đưa ra những cái nhìn độc đáo vào cấu trúc của các đồng vị hiếm, Nazarewicz nhận xét. “Nhưng nhiều phần của công trình vẫn còn chưa được hoàn tất. Khi cơ sở nghiên cứu mới đi vào hoạt động vào năm tới, chúng sẽ góp phần đem lại cái nhìn sâu sắc hơn về câu đố đối xứng gương. Tôi tự hào về chùm tia ‘lạ’ của cơ sở chúng tôi, thiết bị độc nhất vô nhị và những tính toán lý thuyết đã đóng góp vào công trình nghiên cứu tuyệt vời này”.

Các kế hoạch cho nhiều thí nghiệm nữa đang được lên khuôn, vì các nhà nghiên cứu đang tinh chỉnh và xác nhận các quan sát của họ để nghiên cứu nhiều đồng vị khác.

Anh Vũ dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-04-universe.html