Thăm dò Hạt nhân Helium ngoài Trạng thái Cơ bản

Một thí nghiệm tán xạ electron mới thách thức sự hiểu biết của chúng ta về trạng thái kích thích đầu tiên của hạt nhân helium.

Hạt nhân helium, còn được gọi là hạt α, bao gồm hai proton và hai neutron và là một trong những hạt nhân nguyên tử được nghiên cứu rộng rãi nhất. Với số lượng nhỏ các thành phần, hạt α có thể được mô tả chính xác bằng các phép tính nguyên tắc đầu tiên. Chưa hết, các trạng thái kích thích của hạt α vẫn còn là một điều bí ẩn, bằng chứng là có sự bất đồng xung quanh sự kích thích từ trạng thái cơ bản 0+1 đến trạng thái kích thích đầu tiên 0+2 [1]. Các dự đoán lý thuyết cho quá trình chuyển đổi này không phù hợp với các phép đo, nhưng độ không đảm bảo thực nghiệm quá lớn nên không thể rút ra các hàm ý. Giờ đây, Nhóm cộng tác A1 tại Mainz Microtron (MAMI) ở Đức đã đo lại quá trình chuyển đổi này thông qua tán xạ điện tử không đàn hồi [2]. Dữ liệu mới cải thiện đáng kể độ chính xác so với các phép đo trước đó và xác nhận sự khác biệt ban đầu. Kết quả mang lại những hiểu biết mới về cấu trúc không gian của trạng thái 0+2 trong khi đề cập đến những câu hỏi cơ bản về hiểu biết của chúng ta về tương tác hạt nhân.

Các đặc tính năng lượng thấp của hạt nhân có thể được nghiên cứu bằng cách giải phương trình Schrödinger cơ học lượng tử cho các nucleon tương tác. Những tiến bộ gần đây trong các phương pháp ít vật thể ban đầu, cùng với sức mạnh tính toán tăng lên nhanh chóng, cho phép mô tả đáng tin cậy các hạt nhân khối lượng nhẹ và trung bình [3]. Cách tiếp cận được thiết lập nhiều nhất hiện nay dựa trên lý thuyết trường hiệu dụng đối kháng ( χ EFT) [4]. Lý thuyết này cho phép người ta suy ra các tương tác hạt nhân thông qua sự giãn nở nhiễu loạn trong khối lượng quark và trong ba xung lượng của các nucleon. Nó đưa ra một lời giải thích tự nhiên về hệ thống cấp bậc quan sát được của các lực hạt nhân, trong đó tương tác hai hạt nhân chi phối tương tác đa hạt nhân. χ EFT đã được ứng dụng thành công và rộng rãi cho nhiều hệ thống hạt nhân [5].

Đối với hạt α, năng lượng của trạng thái cơ bản 0+1 được tái tạo chính xác trong phép tính χEFT. Nhưng hóa ra, năng lượng ở trạng thái cơ bản được điều khiển bởi các tính chất phổ quát của các hệ ít nucleon [6] và do đó, nó phần lớn không nhạy cảm với các chi tiết của tương tác. Một phép thử nghiêm ngặt hơn đến từ việc tái tạo hệ số dạng điện 𝓕(Q2) , hệ số này phụ thuộc vào sự truyền bốn xung lượng Q và có thể được hiểu là thước đo phân bố điện tích bên trong hạt nhân. Các tính toán lý thuyết của 𝓕(Q2) đối với hạt α và các hạt nhân nhẹ khác thể hiện sự phù hợp tốt với dữ liệu thực nghiệm ở các giá trị Q2 thấp [7], cho thấy cấu trúc trạng thái cơ bản của các hạt nhân này đã được hiểu rõ. Sự tán xạ năng lượng thấp của hai hạt α cũng được mô tả thích hợp bằng cách sử dụng χEFT [8].

Hạt α có thể bị kích thích từ trạng thái cơ bản của nó đến trạng thái 0+2 với năng lượng 20,2 MeV, hơi cao hơn ngưỡng phân tách hai vật thể là 19,8 MeV—tại đó hạt α phân tách thành một proton và một hydro- 3 hạt nhân. Có vẻ lạ khi 0+2 nằm trong “sự liên tục” của các trạng thái không liên kết, nhưng tình huống trên ngưỡng này là phổ biến trong vật lý hạt nhân, đó là lý do tại sao nhiều trạng thái kích thích được gọi là cộng hưởng. Với năng lượng vượt ngưỡng, các nhà nghiên cứu vẫn tranh luận về cách diễn giải trạng thái 0+2: nó chủ yếu là sự kích thích tập thể của hệ thống bốn nucleon hay nó là một trạng thái giống như phân tử bao gồm proton và hạt nhân hydro-3?

Để giúp hiểu được trạng thái 0+2, các nhà thực nghiệm có thể thăm dò sự cộng hưởng này bằng tán xạ electron không đàn hồi (Hình 1), phục hồi cái gọi là hệ số dạng chuyển tiếp đơn cực 𝓕M(Q2) , nhạy cảm với cấu trúc của trạng thái kích thích. Một số thí nghiệm trong những năm 1970 đã đo bình phương giá trị tuyệt đối của 𝓕M cho một dải giá trị Q2. Về mặt lý thuyết, việc tính toán hệ số dạng đã gặp nhiều thách thức do vị trí của trạng thái 0+2 trên ngưỡng liên tục, vì hầu hết các phép tính ban đầu đều bị giới hạn ở các trạng thái giới hạn. Sự phức tạp này đã được khắc phục vào năm 2013 bằng cách sử dụng một kỹ thuật hoàn toàn tính đến các hiệu ứng liên tục [1]. Các phép tính sử dụng χEFT—cũng như các mô hình hiện tượng học—được phát hiện là không phù hợp với dữ liệu, nhưng không thể đưa ra kết luận chắc chắn nào do độ chính xác thấp của dữ liệu thực nghiệm được lấy gần nửa thế kỷ trước.

Hệ số dạng chuyển tiếp đơn cực 𝓕M(Q2) nhạy cảm với sự phân bố điện tích trong trạng thái kích thích đầu tiên của heli. Các thí nghiệm tán xạ electron đo bình phương giá trị tuyệt đối của hệ số dạng ∣∣𝓕M(Q2)∣∣2. Các phép đo mới (hình vuông màu đỏ) được so sánh với dữ liệu trước đó (các chấm màu xám), với dự đoán χEFT (đường màu đỏ) và với các mô hình hiện tượng học (đường màu xanh và màu vàng)

Simon Kegel từ Đại học Johannes Gutenberg Mainz, Đức và các đồng nghiệp hiện đã đo hệ số dạng đơn cực trên một phạm vi rộng các giá trị Q2 với độ không đảm bảo giảm mạnh so với các phép đo trước đó [2]. Để đạt được cải tiến này, nhóm đã cho một mục tiêu khí heli trong một tế bào nhôm tiếp xúc với chùm điện tử MAMI ở ba mức năng lượng khác nhau. Yếu tố thiết yếu của phân tích là xử lý cẩn thận các đóng góp nền gây ra bởi sự tán xạ của các electron trên thành tế bào nhôm. Để cô lập nền này, nhóm đã thực hiện các phép đo riêng biệt với mật độ helium giảm mạnh bên trong tế bào. Dữ liệu mới có độ chính xác cao cho hệ số dạng chuyển tiếp phù hợp với các phép đo trước đó và xác nhận sự không đồng ý với các tính toán (Hình 2). Kegel và các đồng nghiệp của ông cũng đã rút ra được hai hệ số đầu tiên trong quá trình giãn nở động lượng thấp của hệ số dạng chuyển tiếp. Các đại lượng này, cung cấp thông tin về sự mở rộng không gian của trạng thái 0+2, cũng được phát hiện là sai lệch so với các dự đoán lý thuyết.

Vì vậy, những khác biệt này ngụ ý gì đối với lý thuyết hiện đại về lực hạt nhân? Trước hết, các dự đoán về hệ số dạng chuyển đổi khác nhau khoảng 100%, tùy thuộc vào đầu vào tương tác được sử dụng. Sự lan rộng lớn này trong các dự đoán lý thuyết cho thấy rằng hệ số dạng có thể đóng vai trò là một công cụ hay “kính lúp” để thăm dò những đóng góp nhỏ cho lực hạt nhân [1]. Tuy nhiên, trước khi phân tích như vậy có thể được thực hiện, các nhà nghiên cứu cần hiểu rõ hơn về những điều không chắc chắn về mặt lý thuyết. Trái ngược với các mô hình hiện tượng học, χEFT cung cấp sự mở rộng theo thứ tự có hệ thống của các vật thể quan sát năng lượng thấp và cho phép ước tính lỗi cắt ngắn từ các tương tác bậc cao bị bỏ qua. Trong những năm gần đây, các phương pháp Bayes đã được phát triển để định lượng lỗi cắt ngắn bằng cách “học” cách mở rộng χEFT hội tụ khi tính toán nhiều đơn hàng hơn [9]. Nếu công việc trong tương lai cho thấy rằng các lỗi cắt ngắn này là lớn đối với yếu tố hình thức chuyển tiếp, như đã được đề xuất bởi độ nhạy cực cao của nó đối với các đầu vào tương tác, thì tầm quan trọng của sự khác biệt quan sát được có thể bị nghi ngờ.

Bất kể các vấn đề không chắc chắn được thảo luận ở trên, nguồn gốc của độ nhạy mạnh của yếu tố hình thức đối với các chi tiết của lực hạt nhân tự nó là một câu hỏi thú vị. Một lời giải thích khả dĩ liên quan đến mức độ gần của năng lượng kích thích 0+2 (20,2 MeV) với ngưỡng phân rã hai vật thể (19,8 MeV). Hệ số dạng có thể phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng này, do đó, bất kỳ độ không đảm bảo nào trong tính toán năng lượng kích thích sẽ chuyển thành độ không đảm bảo tương đối lớn trong dự đoán hệ số dạng. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã trích xuất các đặc điểm (năng lượng và độ rộng) của cộng hưởng 0+2 từ sự dịch chuyển pha proton-cộng-hydro-3 bằng cách giải bài toán tán xạ bốn vật sử dụng χEFT [10]. Theo lời giải thích được đề xuất, độ rộng của cộng hưởng 0+2 được phát hiện thể hiện độ nhạy rất cao đối với các chi tiết của tương tác. Nghiên cứu lý thuyết sâu hơn là cần thiết để khám phá mối quan hệ giữa yếu tố hình thức và vị trí cộng hưởng của 0+2.

---------------------------------------------------

[1] S. Bacca et al., “Isoscalar monopole resonance of the alpha particle: A prism to nuclear Hamiltonians,” Phys. Rev. Lett. 110, 042503 (2013).

[2] S. Kegel et al., “Measurement of the α-particle monopole transition form factor challenges theory: A low-energy puzzle for nuclear forces?” Phys. Rev. Lett. 130, 152502 (2023).

[3] H. Hergert, “A guided tour of ab initio nuclear many-body theory,” Front. Phys. 8 (2020).

[4] S. Weinberg, “Nuclear forces from chiral lagrangians,” Phys. Lett. B 251, 288 (1990).

[5] E. Epelbaum et al., “Modern theory of nuclear forces,” Rev. Mod. Phys. 81, 1773 (2009).

[6] E. Braaten and H.-W. Hammer, “Universality in few-body systems with large scattering length,” Phys. Rept. 428, 259 (2006).

[7] L. E. Marcucci et al., “Electromagnetic structure of few-nucleon ground states,” J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 43, 023002 (2016).

[8] S. Elhatisari et al., “Ab initio alpha–alpha scattering,” Nature 528, 111 (2015).

[9] R. J. Furnstahl et al., “Quantifying truncation errors in effective field theory,” Phys. Rev. C 92, 024005 (2015).

[10] M. Viviani et al., “n + 3H, p + 3He, p + 3H, and n + 3He scattering with the hyperspherical harmonic method,” Phys. Rev. C 102, 034007 (2020).

--------------------------------------

https://physics.aps.org/articles/v16/58