Hai nhà khoa học vừa công bố cho biết họ đã khám phá một sự kiện hạ nguyên tử mạnh đến mức các nhà nghiên cứu e ngại rằng sẽ thật nguy hiểm nếu khám phá được khai thác rộng rãi.
Sự kiện ấy là gì? Hai nhà khoa học vừa chứng minh rằng hai hạt nhỏ xíu gọi là quark đáy (bottom) trên lí thuyết có thể hợp nhất với nhau trong một chớp lóe thật mạnh. Kết quả là một hạt hạ nguyên tử lớn hơn, một hạt thứ cấp gọi là nucleon, và một mớ năng lượng giải phóng vào vũ trụ. “Vụ nổ quark” này sẽ là một tương đương hạ nguyên tử mạnh hơn của các phản ứng nhiệt hạt nhân xảy ra trong lõi của bom khinh khí (bom H).
Quark là những hạt nhỏ xíu thông thường ép chặt với nhau để tạo thành neutron và proton bên trong nguyên tử. Chúng gồm sáu phiên bản, hay sáu “mùi”: lên (up), xuống (down), đỉnh (top), đáy (bottom), lạ (strange) và duyên (charm).
Các sự kiện giàu năng lượng ở cấp độ hạ nguyên tử được đo bằng mega-electron-volt (MeV), và các nhà vật lí tìm thấy khi hai quark đáy hợp nhất chúng tạo ra một năng lượng lớn khác thường, chừng 138 MeV. Năng lượng đó gấp khoảng tám lần so với một sự kiện nhiệt hạt nhân xảy ra trong bom khinh khí (một vụ nổ bom gồm hàng tỉ sự kiện này). Bom H hợp nhất những hạt nhân hydrogen nhỏ xíu gọi là deuteron và triton lại với nhau để tạo thành hạt nhân helium, đem lại những vụ nổ mạnh nhất trong kho đạn dược của loài người. Nhưng mỗi một phản ứng bên trong quả bom chỉ giải phóng khoảng 18 MeV. Con số này kém xa 138 MeV của sự hợp nhất quark đáy.
“Tôi phải thừa nhận rằng khi lần đầu tiên tôi nhận ra một phản ứng như thế là có thể, tôi đã cảm thấy sợ,” nhà nghiên cứu Marek Karliner thuộc Đại Tel Aviv, một trong hai tác giả, ở Israel cho biết. “Nhưng, may thay, nó chỉ là một xảo thuật.”
Các phản ứng nhiệt hạt nhân thật mạnh, nhưng mỗi phản ứng nhiệt hạt nhân riêng nó chẳng có gì nguy hiểm. Bom khinh khí có sức mạnh khủng khiếp của nó là từ các phản ứng dây chuyền – sự hợp nhất kiểu thác lở của rất nhiều và rất nhiều hạt nhân cùng một lúc.
Karliner và Jonathan Rosner, ở Đại học Chicago, quả quyết rằng một phản ứng dây chuyền như thế sẽ không thể nào xảy ra với quark đáy và, trước khi công bố nghiên cứu, họ đã chia sẻ riêng tư quan điểm của mình với các đồng nghiệp, và những người này cũng đồng ý như thế.
“Tôi nghĩ, nếu trong khoảng thời gian một micro giây mà khám phá này có ứng dụng quân sự, thì tôi đã chẳng công bố nó,” Karliner nói.
Để kích hoạt một phản ứng dây chuyền, các nhà chế tạo bom hạt nhân cần kho trữ hằng hà sa số hạt. Và một tính chất quan trọng của quark đáy khiến chúng không thể chất đống thành kho: Chúng sẽ biến mất trong vòng 1 pico giây sau khi được tạo ra, tức bằng khoảng thời gian để ánh sáng đi hết nửa độ dài của một hạt muối. Và sau khoảng thời gian đó, chúng phân hủy thành những loại hạt hạ nguyên tử thường gặp hơn và kém năng lượng hơn, gọi là quark lên (up).
Ta có thể tạo ra các phản ứng hợp nhất quark đáy bên trong các máy gia tốc hạt dài hàng dặm, các nhà khoa học cho biết. Nhưng cho dù bên trong máy gia tốc hạt, người ta cũng không thể nào thu gom khối lượng quark đủ lớn để gây ra bất kì nguy hại nào cho thế giới. Vì vậy bạn chẳng cần lo lắng về những quả bom quark đáy làm gì.
Tuy vậy, khám phá trên thật hứng thú, vì nó là bằng chứng lí thuyết đầu tiên rằng người ta có thể hợp nhất các hạt hạ nguyên tử với nhau theo những cách giải phóng ra năng lượng. Đó là vùng đất mới trong lĩnh vực vật lí học về những hạt rất nhỏ, được khám phá bởi một thí nghiệm trong Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN, phòng thí nghiệm vật lí hạt đồ sộ ở gần Geneva.
Tại CERN, các hạt chuyển động vèo vèo xung quanh một vành đai dài 27 km ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng trước khi lao vào nhau. Sau đó các nhà khoa học sử dụng các máy tính điện tử mạnh để sàng lọc dữ liệu thu từ những va chạm đó, và những hạt lạ thỉnh thoảng hiện ra từ nghiên cứu như thế. Hồi tháng Sáu, một cái đặc biệt lạ đã hiện ra trong dữ liệu từ một trong những va chạm đó: một baryon “duyên kép”, hay một họ hàng của neutron và proton, nó được cấu tạo gồm hai họ hàng của quark đáy và quark đỉnh gọi là quark duyên.
Quark duyên rất nặng so với quark lên và quark xuống cấu tạo nên proton và neutron thường gặp hơn. Và khi những hạt nặng liên kết với nhau, chúng biến đổi một lượng lớn khối lượng của chúng thành năng lượng liên kết, và trong một số trường hợp, tạo ra một mớ năng lượng tàn dư giải phóng vào vũ trụ.
Karliner và Rosner tìm thấy, khi hai quark duyên hợp nhất, các hạt liên kết với năng lượng khoảng 130 MeV và nhả ra 12 MeV trong năng lượng tàn dư (bằng khoảng hai phần ba năng lượng của sự nhiệt hạch deuteron-triton). Sự hợp nhất duyên như thế là phản ứng hạt đầu tiên ở cấp độ này từng được tìm thấy phát ra năng lượng theo kiểu này, và là kết quả gây đình đám của nghiên cứu mới, công bố hôm 1 tháng Mười Một trên tạp chí Nature.
Sự hợp nhất giàu năng lượng hơn nữa của hai quark đáy, chúng liên kết với năng lượng 280 MeV và nhả ra 138 MeV khi hợp nhất, là phản ứng thứ hai, và là phản ứng mạnh hơn trong hai phản ứng được khám phá.
Cho đến nay, những phản ứng này hoàn toàn thuộc về lí thuyết và chưa được chứng thực trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, bước tiếp theo sẽ sớm diễn ra thôi. Kerliner cho biết ông kì vọng thấy được những thí nghiệm đầu tiên chứng minh phản ứng này tại CERn trong vòng vài năm tới.
Nguồn: LiveScience
