Máy gia tốc mới khám phá nguồn gốc của các nguyên tố

“Dự án này là giấc mơ của cả cộng đồng vật lý hạt nhân trở thành hiện thực," nhà vật lý thực nghiệm Ani Aprahamian tại Đại học Notre Dame, nói. Nhà vật lý hạt nhân Kate Jones tại Đại học Tennessee, đồng ý: “Đây là cơ sở nghiên cứu chúng tôi đã chờ đợi từ lâu."

Cơ sở Nghiên cứu Chùm đồng vị hiếm (FRIB) tại Đại học Bang Michigan (MSU), Michigan, Mỹ, được xây dựng với ngân sách 730 triệu USD, phần lớn do Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ, bang Michigan đóng góp 94,5 triệu USD. MSU đã đóng góp thêm 212 triệu USD theo nhiều cách khác nhau, bao gồm cả khu vực đất xây dựng, đưa tổng ngân sách dự án lên 930 triệu USD. FRIB là máy gia tốc đời mới hơn thay thế máy gia tốc trước đó của Mỹ, có tên là Phòng thí nghiệm Cyclotron siêu dẫn Quốc gia (NSCL). Việc xây dựng FRIB bắt đầu vào năm 2014 và hoàn thành vào cuối năm ngoái, “sớm hơn năm tháng so với dự tính và đúng kinh phí”, nhà vật lý hạt nhân Bradley Sherrill, giám đốc khoa học của FRIB, cho biết.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý hạt nhân đã kêu gọi xây dựng một máy gia tốc với sức mạnh như FRIB: có thể tạo ra các đồng vị hiếm nhanh hơn nhiều lần so với NSCL và các máy gia tốc trên toàn thế giới. Witold Nazarewicz, nhà vật lý hạt nhân lý thuyết và là nhà khoa học chính của FRIB cho biết: “Cộng đồng vật lý kiên quyết rằng cần phải có một công cụ như thế này."

Tại tầng hầm của FRIB, nguyên tử của một nguyên tố cụ thể, điển hình là uranium, sẽ bị ion hóa và đưa vào một đường ống gia tốc dài 450 mét chạy vòng quanh một hành lang dài 150 mét. Ở cuối đường ống, chùm ion sẽ đập vào một bánh xe than chì. Hầu hết các hạt nhân sẽ đi qua than chì, nhưng một phần nhỏ sẽ va chạm với các hạt nhân cacbon của than chì, làm cho các hạt nhân uranium bị vỡ thành các tổ hợp proton và neutron nhỏ hơn, mỗi tổ hợp đó là một hạt nhân của một nguyên tố và đồng vị khác nhau.

Chùm hạt nhân gồm nhiều hạt nhân của các nguyên tố và đồng vị khác nhau này sẽ được chuyển hướng tới một "máy tách" trên mặt đất. Máy tách bao gồm một loạt các nam châm làm lệch mỗi hạt nhân theo một góc phụ thuộc vào khối lượng và điện tích của nó. Bằng cách tinh chỉnh quá trình này, các nhà nghiên cứu tại FRIB có thể tách ra một đồng vị, phục vụ cho một thí nghiệm cụ thể.

Đồng vị cần dùng đó có thể được chuyển hướng qua hệ thống đường ống để đến một trong nhiều phòng thí nghiệm. Trong trường hợp các đồng vị hiếm nhất, tốc độ sản xuất có thể chỉ ở mức một hạt nhân mỗi tuần, nhưng phòng thí nghiệm sẽ có thể thu thập và nghiên cứu gần như từng hạt nhân, Sherrill nói.

Một tính năng độc đáo của FRIB là nó có một máy gia tốc thứ hai, có thể lấy các đồng vị hiếm và đập chúng vào một mục tiêu cố định, để bắt chước các vụ va chạm năng lượng cao xảy ra bên trong các ngôi sao hoặc siêu tân tinh.

FRIB bắt đầu hoạt động với cường độ tương đối thấp, nhưng sẽ tăng dần lên để tạo ra các ion với tốc độ cao hơn nhiều lần so với NSCL. Mỗi ion uranium trong FRIB cũng sẽ di chuyển nhanh hơn đến mục tiêu than chì, mang theo nhiều năng lượng hơn so với các ion trong NSCL. Sherrill cho biết mức năng lượng cao hơn của FRIB nằm trong phạm vi lý tưởng để tạo ra một số lượng lớn các đồng vị khác nhau, bao gồm hàng trăm loại chưa từng tổng hợp được trước đây.

Các nhà vật lý học rất hào hứng với việc FRIB đi vào hoạt động, bởi vì kiến ​​thức của họ về tổng thể các đồng vị vẫn còn rất ít. Về nguyên tắc, lực giữ các hạt nhân nguyên tử lại với nhau là lực hạt nhân mạnh - một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên, cũng là lực liên kết ba hạt quark lại với nhau để tạo ra một neutron hoặc một proton. Nhưng hạt nhân là những vật thể phức tạp với nhiều bộ phận chuyển động, và không thể dự đoán chính xác cấu trúc và tính chất của chúng chỉ dựa trên các nguyên tắc cơ bản, Nazarewicz nói.

Do đó, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một loạt các mô hình để dự đoán đặc điểm của một số hạt nhân nhất định, nhưng kết quả có thể sai hoặc chỉ đưa ra các ước tính gần đúng. Những câu hỏi cơ bản, chẳng hạn như tốc độ phân hủy của đồng vị, chu kỳ bán rã của nó hoặc liệu một đồng vị có thể hình thành hay không, cũng chưa có câu trả lời chính xác, Nazarewicz nói. “Nếu bạn hỏi tôi có bao nhiêu đồng vị thiếc hay chì, tôi chỉ có thể đưa ra câu trả lời với một sai số lớn."

Sự không chắc chắn của các mô hình hiện nay cũng có nghĩa là các nhà nghiên cứu vẫn chưa có lời giải thích về cách tất cả các nguyên tố trong bảng tuần hoàn hình thành. Vụ nổ Big Bang về cơ bản chỉ tạo ra hydro và heli; các nguyên tố hóa học khác trong bảng được hình thành chủ yếu thông qua phản ứng tổng hợp hạt nhân bên trong các ngôi sao. Nhưng các nguyên tố nặng hơn không thể hình thành bằng phản ứng tổng hợp. Chúng được tạo ra bằng các phương pháp khác - thường là thông qua phân rã beta, xảy ra khi một hạt nhân nhận được nhiều neutron đến mức nó trở nên không ổn định, và một hoặc nhiều neutron của nó biến thành một proton, tạo ra một nguyên tố có số nguyên tử cao hơn.

Điều này có thể xảy ra khi hạt nhân bị bắn phá bằng neutron trong các sự kiện ngắn nhưng cực kỳ mạnh, chẳng hạn như một vụ nổ siêu tân tinh hoặc sự hợp nhất của hai sao neutron. Các nhà nghiên cứu đã quan sát được một sự kiện như vậy vào năm 2017, cho thấy nó tạo ra các nguyên tố nặng hơn sắt. Nhưng họ không thể quan sát những nguyên tố cụ thể nào được tạo ra, hoặc với số lượng bao nhiêu, Hendrik Schatz, nhà vật lý thiên văn hạt nhân tại MSU cho biết. FRIB sẽ có thể khám phá các đồng vị giàu neutron được tạo ra trong những sự kiện này.

FRIB cũng sẽ giúp trả lời câu hỏi cơ bản "có thể thêm bao nhiêu neutron vào một hạt nhân, và việc thêm neutron làm thay đổi các tương tác bên trong hạt nhân như thế nào?" Anu Kankainen, nhà vật lý thực nghiệm tại Đại học Jyväskylä, Phần Lan, cho biết.

Các máy gia tốc hiện đại trên khắp thế giới sẽ bổ khuyết cho nhau để nghiên cứu các đồng vị hạt nhân. Các cơ sở máy gia tốc ở Nhật Bản và Nga được tối ưu hóa để tạo ra các nguyên tố nặng nhất có thể, những nguyên tố ở cuối bảng tuần hoàn. Cơ sở Nghiên cứu Antiproton và Ion (FAIR) trị giá 3,1 tỷ euro, đang được xây dựng ở Đức, dự kiến ​​hoàn thành vào năm 2027 sẽ tạo ra phản vật chất cũng như vật chất, và có thể lưu trữ hạt nhân trong thời gian dài hơn. Blaum, người từng tham gia các ủy ban cố vấn cho cả FRIB và FAIR, nói: “Bạn không thể làm mọi thứ với một chiếc máy duy nhất."