Khoảng ba năm trước, Wolfgang "Wolfi" Mittig và Yassid Ayyad đã đi tìm kiếm khối lượng còn thiếu của vũ trụ, hay còn gọi là vật chất tối, trong lòng một nguyên tử.
Cuộc thám hiểm của họ không dẫn họ đến vật chất tối, nhưng họ vẫn tìm thấy một thứ chưa từng thấy trước đây, một thứ bất chấp lời giải thích. Ít nhất là một lời giải thích mà mọi người có thể đồng ý.
Mittig, Giáo sư xuất sắc của Hannah tại Khoa Vật lý và Thiên văn của Đại học Bang Michigan và là thành viên tại Cơ sở Nghiên cứu Chùm Đồng vị Hiếm, hay FRIB, cho biết “Nó giống như một câu chuyện trinh thám”.
Ông nói: “Chúng tôi bắt đầu tìm kiếm vật chất tối và chúng tôi không tìm thấy nó. Thay vào đó, chúng tôi tìm thấy những thứ khác mà lý thuyết đang gặp thử thách để giải thích”.
Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã trở lại làm việc, thực hiện nhiều thí nghiệm hơn, thu thập thêm bằng chứng để làm cho khám phá của họ có ý nghĩa. Mittig, Ayyad và các đồng nghiệp của họ đã thực hiện tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Cyclotron Siêu dẫn, hay NSCL, tại Đại học Bang Michigan.
Làm việc tại NSCL, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy một con đường mới dẫn đến kết quả bất ngờ của họ, mà họ đã trình bày chi tiết ngày 28 tháng 6 trên tạp chí Physical Review Letters. Khi làm như vậy, họ cũng tiết lộ vật lý thú vị đang diễn ra trong lĩnh vực lượng tử siêu nhỏ của các hạt hạ nguyên tử.
Đặc biệt, nhóm nghiên cứu xác nhận rằng khi lõi của một nguyên tử, hoặc hạt nhân, bị nhồi quá nhiều neutron, nó vẫn có thể tìm ra cách để có cấu hình ổn định hơn bằng cách phát ra một proton.
Mò mẫm
Vật chất tối là một trong những thứ nổi tiếng nhất trong vũ trụ mà chúng ta ít biết nhất. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã biết rằng vũ trụ chứa nhiều khối lượng hơn chúng ta có thể thấy dựa trên quỹ đạo của các ngôi sao và thiên hà.
Để lực hấp dẫn giữ cho các thiên thể gắn kết với đường đi của chúng, cần phải có khối lượng không thể nhìn thấy và khối lượng của nó - gấp sáu lần khối lượng vật chất thông thường mà chúng ta có thể quan sát và đo đạc. Mặc dù các nhà khoa học tin rằng có vật chất tối ở ngoài kia, nhưng họ vẫn chưa tìm thấy ở đâu và nghĩ ra cách phát hiện trực tiếp nó.
Ayyad, một nhà nghiên cứu vật lý hạt nhân tại Viện Vật lý Năng lượng Cao Galician, hay IGFAE, thuộc Đại học Santiago de Compostela ở Tây Ban Nha, cho biết: “Tìm kiếm vật chất tối là một trong những mục tiêu chính của vật lý”.
Mittig nói: Các nhà khoa học đã đưa ra khoảng 100 thí nghiệm để cố gắng làm sáng tỏ vật chất tối chính xác là gì.
Ông nói: “Không ai trong số họ thành công sau 20, 30, 40 năm nghiên cứu”.
Ayyad, người trước đây là nhà vật lý hệ thống máy dò tại NSCL cho biết: “Nhưng có một giả thuyết, một ý tưởng rất giả thuyết rằng bạn có thể quan sát vật chất tối với một loại hạt nhân rất đặc biệt”.
Lý thuyết này tập trung vào cái mà nó gọi là phân rã vật chất tối. Nó cho rằng một số hạt nhân không ổn định, những hạt nhân tự nhiên bị vỡ ra, có thể phá hủy vật chất tối khi chúng vỡ vụn.
Vì vậy, Ayyad, Mittig và nhóm của họ đã thiết kế một thí nghiệm có thể tìm kiếm sự phân rã vật chất tối, biết được khả năng xảy ra chống lại chúng. Việc thăm dò những sự phân rã kỳ lạ cũng cho phép các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về các quy tắc và cấu trúc của thế giới hạt nhân và lượng tử.
Các nhà nghiên cứu đã có một cơ hội tốt để khám phá ra một điều gì đó mới mẻ. Câu hỏi là đó sẽ là gì.
 | |
| Trong thí nghiệm được công bố vào năm 2019, 11Be phân rã beta về một trạng thái kích thích của 11B, phân rã thành 10Be và một proton. Trong thí nghiệm mới, đội ngũ truy cập trạng thái 11B bằng cách thêm một proton vào 10Be theo cơ chế nghịch đảo thời gian. |
Sự trợ giúp từ hạt nhân hào quang
Ayyad nói: “Khi mọi người tưởng tượng về một hạt nhân, nhiều người có thể nghĩ đến một quả bóng sần sùi được tạo thành từ các proton và neutron. Nhưng hạt nhân có thể có những hình dạng kỳ lạ, bao gồm cái được gọi là hạt nhân hào quang”.
Ayyad nói: 11Be là một ví dụ về hạt nhân hào quang. Đó là một dạng hay đồng vị của nguyên tố berili có 4 proton và 7 neutron trong hạt nhân của nó. Nó giữ 10 trong số 11 hạt hạt nhân đó trong một cụm trong tâm chặt chẽ. Nhưng một neutron trôi ra xa khỏi lõi đó, liên kết lỏng lẻo với phần còn lại của hạt nhân, giống như mặt trăng quay xung quanh Trái Đất.
11Be cũng không ổn định. Sau thời gian tồn tại khoảng 13,8 giây, nó tan rã bởi cái được gọi là phân rã beta. Một trong các neutron của nó phóng ra một electron và trở thành một proton. Điều này biến hạt nhân thành dạng ổn định của nguyên tố B với năm proton và sáu neutron, 11B.
Nhưng theo lý thuyết đó, nếu neutron bị phân rã từ một hạt nhân hào quang, 11Be có thể đi theo một con đường hoàn toàn khác: Nó có thể trải qua một quá trình phân rã vật chất tối.
Vào năm 2019, các nhà nghiên cứu đã khởi động một thử nghiệm tại cơ sở máy gia tốc hạt quốc gia của Canada, TRIUMF, nhằm tìm kiếm sự phân rã rất giả thuyết đó. Và họ đã tìm thấy một sự phân rã với xác suất cao bất ngờ, nhưng nó không phải là một sự phân rã vật chất tối.
Có vẻ như neutron liên kết lỏng lẻo của 11Be đang phóng ra một electron giống như phân rã beta thông thường, nhưng Be không đi theo con đường phân rã đã biết thành B.
Nhóm nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng khả năng cao của sự phân rã có thể được giải thích nếu một trạng thái trong 11B tồn tại như một cánh cửa dẫn đến một sự phân rã khác, thành 10Be và một proton. Đối với bất kỳ ai giữ được điểm số, điều đó có nghĩa là hạt nhân một lần nữa trở thành Be. Chỉ bây giờ nó có sáu neutron thay vì bảy.
Ayyad nói: “Điều này xảy ra chỉ vì hạt nhân hào quang. “Đó là một loại phóng xạ rất kỳ lạ. Nó thực sự là bằng chứng trực tiếp đầu tiên về hiện tượng phóng xạ proton từ một hạt nhân giàu neutron”.
Nhưng khoa học hoan nghênh sự giám sát và hoài nghi, và báo cáo năm 2019 của nhóm nghiên cứu đã được đáp ứng với liều lượng lành mạnh của cả hai. Trạng thái “ngưỡng cửa” đó trong 11B dường như không tương thích với hầu hết các mô hình lý thuyết. Không có lý thuyết vững chắc về những gì nhóm đã thấy, các chuyên gia khác nhau đã giải thích dữ liệu của nhóm theo cách khác nhau và đưa ra các kết luận tiềm năng khác.
“Chúng tôi đã có rất nhiều cuộc thảo luận dài”, Mittig nói. “Đó là một điều tốt”.
Các cuộc thảo luận cũng có lợi như nhau — và tiếp tục — Mittig và Ayyad biết rằng họ sẽ phải tạo ra nhiều bằng chứng hơn để hỗ trợ kết quả và giả thuyết của họ. Họ sẽ phải thiết kế các thử nghiệm mới.
Các thí nghiệm NSCL
Trong thí nghiệm năm 2019 của nhóm, TRIUMF đã tạo ra một chùm hạt nhân 11Be mà nhóm hướng vào một buồng phát hiện, nơi các nhà nghiên cứu quan sát các lộ trình phân rã có thể xảy ra khác nhau. Điều đó bao gồm quá trình phân rã beta thành quá trình phát xạ proton tạo ra 10Be.
Đối với các thí nghiệm mới diễn ra vào tháng 8 năm 2021, ý tưởng của nhóm về cơ bản là chạy phản ứng đảo ngược thời gian. Đó là, các nhà nghiên cứu sẽ bắt đầu với hạt nhân 10Be và thêm một proton.
Các cộng tác viên ở Thụy Sĩ đã tạo ra một nguồn 10Be, có chu kỳ bán rã 1,4 triệu năm, sau đó NSCL có thể sử dụng để sản xuất chùm phóng xạ bằng công nghệ máy phản ứng mới. Công nghệ này làm bay hơi và đưa Be vào một máy gia tốc và giúp các nhà nghiên cứu có thể thực hiện phép đo có độ nhạy cao.
 |
| Trong hệ lượng tử mở, một trạng thái rời rạc hoặc cô lập đồng khối với 11B (trái), trộn với các trạng thái liên tục liên quan đến 10Be (giữa) dẫn đến một trạng thái cộng hưởng mới (phải). |
Khi 10Be hấp thụ một proton có năng lượng phù hợp, hạt nhân sẽ chuyển sang trạng thái kích thích giống như các nhà nghiên cứu tin rằng họ đã phát hiện ra ba năm trước đó. Nó thậm chí sẽ nhổ proton trở lại, có thể được phát hiện là dấu hiệu của quá trình.
“Kết quả của hai thí nghiệm rất tương thích”, Ayyad nói.
Đó không phải là tin tốt duy nhất. Nhóm nghiên cứu không hề hay biết, một nhóm các nhà khoa học độc lập tại Đại học Bang Florida đã nghĩ ra một cách khác để thăm dò kết quả năm 2019. Ayyad tình cờ tham dự một hội nghị ảo nơi nhóm nghiên cứu của Bang Florida trình bày kết quả sơ bộ của mình, và anh ấy đã được khích lệ bởi những gì anh ấy nhìn thấy.
“Tôi đã chụp ảnh màn hình cuộc họp Zoom và gửi ngay cho Wolfi”, anh nói. “Sau đó, chúng tôi liên hệ với nhóm của Bang Florida và tìm ra cách để hỗ trợ lẫn nhau”.
Hai nhóm đã liên lạc với nhau khi họ phát triển các báo cáo của mình và cả hai ấn phẩm khoa học hiện xuất hiện trên cùng một số Tạp chí Physical Review Letters. Và các kết quả mới đã tạo ra một tiếng vang trong cộng đồng.
“Công việc đang được rất nhiều người chú ý. Wolfi sẽ đến thăm Tây Ban Nha trong vài tuần nữa để nói về điều này”, Ayyad nói.
Một trường hợp mở trên các hệ thống lượng tử mở
Một phần của sự phấn khích là vì công việc của nhóm có thể cung cấp một nghiên cứu mới cho cái được gọi là các hệ lượng tử mở. Đó là một cái tên đáng sợ, nhưng khái niệm có thể được coi như một câu ngạn ngữ cổ, “không có gì tồn tại trong chân không”.
Vật lý lượng tử đã cung cấp một khuôn khổ để hiểu các thành phần cực kỳ nhỏ bé của tự nhiên: nguyên tử, phân tử và nhiều hơn nữa. Sự hiểu biết này đã nâng cao hầu hết mọi lĩnh vực của khoa học vật lý, bao gồm năng lượng, hóa học và khoa học vật liệu.
Tuy nhiên, phần lớn khuôn khổ đó được phát triển dựa trên các kịch bản đơn giản hóa. Hệ thống quan tâm siêu nhỏ theo một cách nào đó sẽ bị cô lập khỏi đại dương đầu vào do thế giới xung quanh cung cấp. Khi nghiên cứu các hệ lượng tử mở, các nhà vật lý đang mạo hiểm thoát khỏi các kịch bản lý tưởng hóa và đi vào sự phức tạp của thực tế.
Các hệ thống lượng tử mở thực sự có ở khắp mọi nơi, nhưng việc tìm kiếm một hệ thống đủ khả năng để học hỏi từ đó là một thách thức, đặc biệt là trong các vấn đề về hạt nhân. Mittig và Ayyad nhìn thấy tiềm năng trong các hạt nhân bị ràng buộc lỏng lẻo của họ và họ biết rằng NSCL, và bây giờ FRIB có thể giúp phát triển nó.
NSCL, một cơ sở người dùng của Quỹ Khoa học Quốc gia đã phục vụ cộng đồng khoa học trong nhiều thập kỷ, đã tổ chức công việc của Mittig và Ayyad, đây là minh chứng đầu tiên được công bố về công nghệ máy phản ứng độc lập. FRIB, một cơ sở sử dụng thuộc Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, chính thức ra mắt vào ngày 2 tháng 5 năm 2022 là nơi công việc có thể tiếp tục trong tương lai.
Ayyad nói: “Hệ thống lượng tử mở là một hiện tượng chung, nhưng chúng là một ý tưởng mới trong vật lý hạt nhân. Và hầu hết các nhà lý thuyết đang thực hiện công việc đều ở FRIB”.
Nhưng câu chuyện trinh thám này vẫn còn ở những chương đầu của nó. Để hoàn thành vụ việc, các nhà nghiên cứu vẫn cần thêm dữ liệu, thêm bằng chứng để hiểu đầy đủ về những gì họ đang thấy. Điều đó có nghĩa là Ayyad và Mittig vẫn đang làm những gì họ làm tốt nhất và điều tra.
Mittig nói: “Chúng tôi đang tiếp tục và thực hiện những thử nghiệm mới. Chủ đề của tất cả những điều này là điều quan trọng là phải có những thử nghiệm tốt với phân tích mạnh mẽ”.
Comments
Post a Comment