Cho đến gần đây, các nhà khoa học tin rằng chỉ những hạt nhân rất nặng mới có thể kích thích trạng thái spin bằng 0 có độ ổn định tăng lên với hình dạng bị biến dạng đáng kể. Trong khi đó, một đội nghiên cứu quốc tế gồm các nhà nghiên cứu đến từ Romania, Pháp, Ý, Mỹ và Ba Lan đã chứng tỏ trong bài báo mới nhất của họ rằng những trạng thái như vậy cũng tồn tại trong hạt nhân nhẹ hơn nhiều nickel. Việc xác minh tích cực mô hình lý thuyết được sử dụng trong các thí nghiệm này cho phép mô tả các đặc tính của hạt nhân không có sẵn trong các phòng thí nghiệm trên Trái Đất.
Hơn 99.9% khối lượng của nguyên tử đến từ hạt nhân của nó, thể tích của hạt nhân này nhỏ hơn thể tích của toàn bộ nguyên tử hơn một nghìn tỷ lần. Do đó, hạt nhân nguyên tử có mật độ đáng kinh ngạc khoảng 150 triệu tấn/cm3. Điều này có nghĩa là một muỗng canh vật chất hạt nhân nặng gần bằng một km khối nước. Mặc dù có kích thước rất nhỏ và mật độ đáng kinh ngạc, hạt nhân nguyên tử có những cấu trúc phức tạp được tạo thành từ proton và neutron. Người ta có thể mong đợi rằng những vật thể cực kỳ đặc như vậy sẽ luôn có dạng hình cầu. Tuy nhiên, trên thực tế, tình huống lại hoàn toàn khác: hầu hết các hạt nhân đều bị biến dạng – chúng có hình dạng dẹt hoặc kéo dài dọc theo một hoặc thậm chí hai trục cùng một lúc. Để tìm ra dạng ưa thích của một hạt nhân nhất định, người ta thường xây dựng một biểu đồ thế năng như là một hàm biến dạng. Người ta có thể hình dung biểu đồ đó bằng cách vẽ một bản đồ trong đó tọa độ mặt phẳng là các tham số biến dạng, tức là các bậc của sự giãn dài hoặc phẳng dọc theo hai trục, trong khi màu sắc biểu thị năng lượng cần thiết để đưa hạt nhân về hình dạng nhất định. Bản đồ như vậy hoàn toàn tương tự với bản đồ địa lý địa hình núi.
Nếu một hạt nhân được hình thành trong phản ứng hạt nhân, nó sẽ xuất hiện ở một điểm nhất định trong biểu đồ – nó sẽ có biến dạng cụ thể. Sau đó nó bắt đầu trượt (thay đổi biến dạng) về điểm năng lượng thấp nhất (biến dạng ổn định). Tuy nhiên, trong một số trường hợp, trước khi đạt đến trạng thái cơ bản, nó có thể bị dừng lại một thời gian ở mức tối thiểu lân cận địa phương nào đó, một cái bẫy, tương ứng với biến dạng siêu bền. Điều này rất giống với nước suối ở một vị trí cụ thể trong vùng núi và chảy xuống. Trước khi đến thung lũng thấp nhất, nó có thể bị mắc kẹt trong vùng trũng địa phương một thời gian. Nếu có dòng suối nối vùng trũng địa phương với điểm thấp nhất của biểu đồ thì nước sẽ chảy xuống. Nếu chỗ trũng được cách ly tốt, nước sẽ ở đó rất lâu.
Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng cực tiểu địa phương trong biểu đồ biến dạng hạt nhân có spin bằng 0 chỉ tồn tại ở những hạt nhân nặng có số nguyên tử lớn hơn 89 (actinium) và tổng số proton và neutron trên 200. Những hạt nhân như vậy có thể bị giữ lại trong các cực tiểu thứ cấp này ở biến dạng siêu bền trong một khoảng thời gian thậm chí dài hơn hàng chục triệu lần so với thời gian cần thiết để đạt đến trạng thái cơ bản mà không bị bẫy làm chậm lại. Cho đến cách đây vài năm, người ta chưa bao giờ quan sát thấy trạng thái spin bằng 0 kích thích đi kèm với biến dạng siêu bền trong hạt nhân của các nguyên tố nhẹ hơn. Tình hình đã thay đổi cách đây vài năm khi một trạng thái có biến dạng đáng kể đặc trưng bởi độ ổn định tăng lên được tìm thấy ở nickel-66, hạt nhân có 28 proton và 38 neutron. Sự nhận dạng này được thúc đẩy bởi các tính toán được thực hiện với mô hình vỏ Monte Carlo phức tạp do các nhà lý thuyết của Đại học Tokyo phát triển, dự đoán bẫy biến dạng này.
Giáo sư Bogdan Fornal (IFJ PAN) cho biết: “Các tính toán do các đồng nghiệp Nhật Bản của chúng tôi thực hiện cũng mang lại một kết quả bất ngờ khác”. Họ đã chỉ ra rằng một vết lõm (bẫy) địa phương, sâu liên quan đến sự biến dạng đáng kể cũng phải xuất hiện trong biểu đồ thế năng của nickel-64, hạt nhân có hai neutron nhỏ hơn nickel-66, mà cho đến nay vẫn được coi là chỉ có một neutron với cực tiểu chính có dạng hình cầu. Vấn đề là ở chỗ ở nickel-64, vết lõm được dự đoán ở mức năng lượng kích thích cao, ở vĩ cao tương tự như địa hình núi, cực kì khó tìm ra một phương pháp thử nghiệm để đặt hạt nhân vào bẫy này.
Một chuyến tham quan đã diễn ra bao gồm bốn thí nghiệm bổ sung, được thực hiện chung bởi sự hợp tác dẫn đầu bởi các nhà thực nghiệm đến từ Romania (IFIN-HH ở Bucharest), Pháp (Institut Laue-Langevin, Grenoble), Ý (Đại học Milan), Hoa Kỳ (Đại học của Bắc Carolina và TUNL) và Ba Lan (IFJ PAN, Krakow). Các phép đo được thực hiện tại bốn phòng thí nghiệm khác nhau ở Châu Âu và Hoa Kỳ: Institut Laue-Langevin (Grenoble, Pháp), Phòng thí nghiệm Tandem IFIN-HH (Romania), Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne (Chicago, Hoa Kỳ) và Phòng thí nghiệm hạt nhân của các trường đại học Triangle (TUNL, miền Bắc Carolina, Hoa Kỳ). Các cơ chế phản ứng khác nhau đã được sử dụng bao gồm chuyển proton và neutron, thu giữ neutron nhiệt, kích thích Coulomb và huỳnh quang cộng hưởng hạt nhân, kết hợp với các kỹ thuật phát hiện tia gamma tiên tiến nhất.
Tất cả các dữ liệu được tổng hợp cùng nhau cho phép thiết lập sự tồn tại của hai cực tiểu thứ cấp trong biểu đồ thế năng của nickel-64, tương ứng với các hình ellipsoid dẹt phẳng và dẹt thuôn dài, trong đó hình ellipsoid thuôn dài khá sâu và cách ly tốt như được chỉ ra bởi quá trình chuyển đổi sang cực tiểu hình cầu chính bị chậm lại đáng kể.
“Thời gian kéo dài mà hạt nhân trải qua khi bị mắc kẹt trong cực tiểu tăng dần của hạt nhân Ni-64 không ngoạn mục bằng thời gian của hạt nhân nặng, nơi nó đạt tới hàng chục triệu lần. Chúng tôi ghi nhận mức tăng chỉ vài chục lần, tuy nhiên thực tế là mức tăng này gần với mức tăng do mô hình lý thuyết mới mang lại, là một thành tựu lớn,” Giáo sư Fornal nói.
Một kết quả đặc biệt có giá trị của nghiên cứu này là xác định được một thành phần trước đây chưa được xem xét đến của lực tác dụng giữa các nucleon trong các hệ hạt nhân phức tạp, cái gọi là đơn cực tensor, nguyên nhân gây ra biểu đồ biến dạng nhiều mặt trong các đồng vị nickel. Các nhà khoa học hy vọng rằng sự tương tác này phần lớn góp phần hình thành cấu trúc của nhiều hạt nhân chưa được khám phá.
Ở góc độ rộng hơn, việc khảo sát được trình bày chỉ ra rằng phương pháp lý thuyết được áp dụng ở đây, có thể dự đoán đầy đủ các đặc tính độc đáo của hạt nhân nickel, có tiềm năng lớn trong việc mô tả các tính chất của hàng trăm hệ thống hạt nhân không thể tiếp cận được trong phòng thí nghiệm trên Trái Đất ngày nay nhưng liên tục được tạo ra bằng các ngôi sao.
Tham khảo thêm: N. Mărginean et al, Shape Coexistence at Zero Spin in Ni64 Driven by the Monopole Tensor Interaction, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.102502
Comments
Post a Comment