Các nhà nghiên cứu ở Mĩ và Anh vừa xác nhận rằng một đồng vị có thời gian sống ngắn của thiếc là thành viên mới nhất của câu lạc bộ các hạt nhân “thần kì kép”, một tương đương hạt nhân với các chất khí trơ. Đây chỉ là thành viên thứ bảy trong số những hạt nhân dạng cầu rắn chắc này có cái đại lượng thần kì của nó đã được đo. Và thí nghiệm trên có thể cung cấp những manh mối cho biết các nguyên tố nặng đã được hình thành như thế nào trong các vụ nổ sao siêu mới của những ngôi sao nặng.
Tháp chồng tại Cơ sở Chùm Ion Phóng xạ Holifield. (Ảnh: Kate Jones)
Lâu nay, các nhà vật lí đã biết rằng các proton và neutron trong hạt nhân chiếm giữ những lớp vỏ quỹ đạo rời rạc – theo kiểu giống hệt như các electron trong nguyên tử. Thật vậy, khi ý tưởng này được phát triển thành “mô hình lớp vỏ hạt nhân”, nó đã mang về cho Maria Goeppert-Mayer và J Hans D Jensen giải thưởng Nobel Vật lí danh giá năm 1963.
Hạt nhân thần kì là những hạt nhân có số lượng proton và neutron chính xác để lấp đầy một tập hợp hình cầu của những quỹ đạo có liên quan gọi là một “lớp vỏ”. Những hạt nhân có số neutron hoặc proton thần kì có khuynh hướng được đặc trưng bởi một lực liên kết mạnh hơn, ổn định hơn, và do đó, phong phú hơn trong tự nhiên. Trong những hạt nhân thần kì kép, cả những lớp vỏ proton lẫn neutron đều được lấp đầy, chúng có thể làm cho sự liên kết mạnh thêm nữa.
Gấp đôi sự thần kì
Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra chỉ sáu hạt nhân thần kì kép bằng cách xác nhận bản chất dạng cầu của những lớp vỏ ngoài cùng của chúng. Năm trong số này – trong đó có helium-4 và oxygen-16 – thuộc về những đồng vị phổ biến nhất được tìm thấy trong tự nhiên giải thích cho tính bền của chúng. Nhưng vào năm 1998, các nhà nghiên cứu xác nhận rằng hạt nhân thần kì kép mới nhất khi đó, nickel-56, có chu kì bán ra ngắn hơn là 5,9 ngày vì nó có ít hơn hai neutron so với nickel-58 dồi dào hơn.
Nay một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge ở Tennessee vừa xác nhận sự tồn tại của một hạt nhân thần kì kép thứ bảy, tuy nhiên nó vẫn kém bền hơn nhiều. Thiếc-132, với 50 proton và 82 neutron của nó, được mô hình lớp vỏ hạt nhân tiên đoán là hạt nhân thần kì kép nhưng rất khó chứng minh được vì nó phân hủy với chu kì bán rã chỉ có 4 giây.
Để giải quyết vấn đề này, Kate Jones ở trường đại học Tennessee đã đưa ra một thí nghiệm mới lạ, làm xoay chuyển các thủ tục chuẩn trong đầu họ. Một phương pháp được ưa chuộng để nhận dạng các hạt nhân thần kì kép là bóc các neutron ra khỏi đồng vị làm bia và suy luận ra cấu trúc của hạt nhân thần kì kép từ các tính chất của những neutron bị trục xuất này. Điều này có thể thực hiện bằng cách tạo ra một màng mỏng vật liệu làm bia và bắn vào nó một chùm deuterium, một đồng vị của hydrogen gồm một proton và một neutron.
Kẻ xâm lược trở thành bia
Tuy nhiên, biết rằng thiếc-132 có thời gian sống quá ngắn để tạo ra một màng mỏng có thẻ duy trì được, đội của Jones đã quyết định chuyển đổi mục tiêu với chùm hạt bắn vào. Sử dụng Cơ sở Chùm Đồng vị Bức xạ Holifield (HRIBF) của Phòng thí nghiệm Oak Ridge, họ gia tốc một chùm thiếc-132 đến vận tốc khoảng bằng 10% tốc độ ánh sáng và lái chùm này vào một tấm bia polyethalene đã xử lí deuterium: các nguyên tử hydrogen-1 của nó được thay thế bởi hydrogen-2. Khi đồng vị thiếc-132 va chạm với bia thì một số trong chúng có thể phân tách các phân tử deuterium bằng cách bóc ra một neutron để hình thành nên hạt nhân thiếc-133 nặng hơn, còn proton thì rơi về phía bia.
Cái khéo léo là các nhà khoa học có thể nghiên cứu chuyển động của những proton dội lại này để làm sáng tỏ thông tin về cấu trúc của hạt nhân thiếc. Bằng cách phân tích các tính chất như năng lượng và sự phân bố góc của những hạt này, các nhà nghiên cứu có thể xác nhận rằng neutron bị tước ra nằm trong một quỹ đạo độc lập ở trên cấu trúc nội khép kín của thiếc-132. Thực tế neutron đó rơi vào “trạng thái hạt độc thân” như thế này là sự xác nhận rằng thiếc-132 phải có bản chất dạng cầu chắc chắn gợi đến một hạt nhân thần kì kép.
Jones cho biết “sự tinh khiết” của các trạng thái hạt độc thân khiến cho những kết quả này quá thuyết phục. “Người ta nghĩ điều này sẽ là không thể trước khi xuất hiện thế hệ tiếp theo của các thiết bị, nhưng chúng tôi thật hào hứng khi làm chủ được nó, sử dụng lò phản ứng cyclotron của mình đã được thiết kế tận hồi những năm 1950”.
Vườn hạt nhân đoản thọ
Rituparna Kanungo, một nhà vật lí hạt nhân thực nghiệm tại trường đại học St Mary ở Halifax, Canada, thật ấn tượng trước kĩ thuật động học nghịch mà đội Holifield sử dụng. “Đây là một công cụ thực nghiệm đầy sức mạnh nhưng khá thách thức để nghiên cứu các trạng thái hạt độc thân”, ông nói. “Những quan sát này là quan trọng trong việc phát triển mô hình lớp vỏ hạt nhân trong mảnh vườn hạt nhân nơi các đồng vị bắt đầu trở nên sống ngắn ngủi”.
Cyclotron Oakridge đã và đang khuất động thế giới khoa học kể từ thập niên 1960. (Ảnh: Kate Jones)
Một lĩnh vực vật lí hấp dẫn có thể hưởng lợi từ lĩnh vực nghiên cứu này là sự nghiên cứu các thức các nguyên tố nặng ra đời trong những điều kiện nổ bùng nổ cực độ. Hơn phân nửa số nguyên tố nặng hơn sắt được tin là có nguồn gốc từ cái gì đó gọi là “quá trình R”, liên quan đến chuỗi bắt giữ neutron nhanh trên các hạt nhân mầm, thường là nickel-56. “Đối thủ chính cho vùng sản xuất này là sao siêu mới hay sao neutron hợp nhất, nhưng vì bản chất bùng nổ của những đối tượng này nên rất khó tái tạo quá trình này trong phòng thí nghiệm”, Jones nói.
Nghiên cứu này công bố trên tạp chí Nature.
Theo physicsworld.com
