Khám phá mới về sự bền vững của các đồng vị carbon

Hình 1: Cấu trúc vỏ tính bằng thế năng dao động tử điều hòa có tính đến xung lượng góc quỹ đạo (trái) và lực lien kết spin quỹ đạo (phải).

Số Magic là số của proton hoặc notron trong một hạt nhân nào đó làm cho hạt nhân này trở lên bền vững hơn so với các hạt nhân có số notron và proton không phải là số Magic. Các số magic được xác định một phần bằng lực liên kết spin-quỹ đạo liên quan đến spin của các proton và notron trong hạt nhân. Goeppert Mayer và J. Hans D. Jensen đã đề xuất ý tưởng này để giải thích việc tách các trạng thái lượng tử của proton và notron vào năm 1949 và đã nhận giải thưởng Nobel. Tuy nhiên, cho đến nay người ta vẫn chưa hiểu được nguồn gốc thực sự của lực hạt nhân.

Các nhà khoa học đã tiên đoán rằng số magic bằng 6 là trường hợp rất đặc biệt bởi vì nó sẽ cho phép chúng ta tìm hiểu một cách thấu đáo nguồn gốc của lien kết spin-quỹ đạo. Tuy nhiên sự tồn tại của hạt nhân với số magic bằng 6 vẫn chưa được xác nhận.

Vì vậy, nhóm khoa học quốc tế trong đó có sự tham gia của một số nhà nghiên cứu Việt Nam là TS.Trần Đình Trọng, GS. TS Lê Hồng Khiêm, ThS Hoàng Thị Hà (Viện Vật lý), nghiên cứu sinh Nguyễn Trần Thọ (Đại học Y Dược Phạm Ngọc Thạch, Tp.HCM), TS Nguyễn Ngọc Duy (Đại học Đồng Nai), đã cố gắng đi tìm câu trả lời của bài toán này. Họ đã phát hiện ra hạt nhân carbon, nguyên tố quan trọng cho sự sống, có chứa số magic bằng 6. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành một số thí nghiệm để 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 notron khác nhau). Thật thú vị, các nhà khoa học thấy rằng bán kính phân bố proton trong các đồng vị carbon khác nhau lại có bán kính phân bố proton khá bằng nhau. Nhóm nghiên cứu vừa công bố phát hiện mới của họ trong tạp chí nổi tiếng thế giới về khoa học tự nhiên, tạp chí Nature Communications, tạp chí chuyên về vật lý, hóa học, khoa học trái đất, sinh học có hệ số ảnh hưởng là 12.124. Công trình được xuất bản vào ngày 23/4/2018 1.

Hình 2. 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 notron và proton.

Tác giả thứ nhất của bài báo, TS. Trần Đình Trọng, cho biết: “Việc kết hợp các kết quả đo bán kính phân bố proton của chúng tôi với tốc độ chuyển dời tứ cực điện và số liệu về khối lượng nguyên tử đã cho phép chúng tôi đoán nhận được rất có thể có một đồng vị của carbon với số magic bằng 6”.

Hình 3. Minh họa lực liên kết spin-quỹ đạo. Hạt nhân sẽ bền vững hơn khi xung lượng quỹ đạo góc và spin của một proton hoặc notron có cùng hướng.

Để giải thích được các kết quả thực nghiệm, các nhà khoa học đã tiến hành nhiều tính toán lý thuyết. Bán kính phân bố proton tính bằng lý thuyết phù hợp khá tốt với các số liệu thực nghiệm. Họ cũng nghiên cứu việc tách mức do tương tác spin - quỹ đạo đối với các đồng vị của carbon thông qua việc phân tích số liệu đo được bằng thực nghiệm và tính bằng lý thuyết của năng lượng cần để thêm vào hoặc tách một proton ra khỏi hạt nhân cho mỗi đồng vị.

Nhìn lại quá trình thực hiện nghiên cứu bắt đầu từ năm 2016, GS. TS Lê Hồng Khiêm cho biết, toàn bộ phần thực nghiệm đều được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu vật lý hạt nhân Osaka và trên các thiết bị quan trọng như máy gia tốc Cyclotron và thiết bị tách các chùm hạt phóng xạ thứ cấp là EN-course tại đây. Nhận xét về đóng góp của các nhà nghiên cứu Việt Nam vào công trình, ông nêu rõ "nhóm Việt Nam tham gia thiết kế thí nghiệm, thiết kế detector MUSIC, kiểm tra các detector, sắp xếp các thí nghiệm, đo on-line, phân tích số liệu thí nghiệm và tính toán lý thuyết sử dụng mô hình Glauber. Hai nghiên cứu sinh của Việt Nam là Trần Đình Trọng đảm trách nhiệm vụ phân tích số liệu cho các đồng vị carbon và Nguyễn Trần Thọ là phân tích sô liệu cho các đồng vị của ô xi".

Tác giả chính của bài báo, ông Hooi Jin Ong (Trung tâm nghiên cứu Vật lý hạt nhân, trường đại học Osaka, Nhật Bản), nhận xét: “Việc phân tích số liệu thực nghiệm của chúng tôi đã xác nhận rằng việc tách mức do tương tác spin-quỹ đạo tồn tại ở mọi hạt nhân. Ngoài ra, số magic bằng 6 là cũng rất dễ nhận ra như các số magic khác”. Trên thực tế, việc đoán nhận được số magic bằng 6 đã cho phép nghiên cứu nguồn gốc của việc tách mức do tương tác spin-quỹ đạo trong hạt nhân.

Việc theo đuổi nghiên cứu về vật lý hạt nhân hiện đại, đặc biệt là vật lý hạt nhân thực nghiệm đòi hỏi một số lượng lớn người tham gia và kinh phí đầu tư lớn. GS. TS Lê Hồng Khiêm cho biết thêm: "Do chi phí dành cho thí nghiệm rất tốn kém nên cần rất nhiều đơn vị tài trợ. Việt Nam đóng góp một phần với kinh phí của Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam theo chương trình hợp tác quốc tế giữa JSPS và Viện HLKHCNVN (Chủ nhiệm phía Nhật Bản là GS.TS I.Tanihata và phía VN là: GS.TS Lê Hồng Khiêm) và Chương trình phát triển vật lý đến năm 2020".

Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang chuẩn bị những thí nghiệm tiếp theo tại Trung tâm nghiên cứu vật lý hạt nhân Osaka cũng theo hướng này.

Nguồn: Viện Vật lý (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam)

-----

1. Để tìm hiểu sâu về nghiên cứu này, có thể tham khảo nội dung bài báo "Evidence for prevalent Z = 6 magic number in neutron-rich carbon isotopes" trong tạp chí Nature Communications ( https://www.nature.com/articles/s41467-018-04024-y).