Cấu trúc alpha cluster trong hạt nhân

Cấu trúc mẫu vỏ với các proton và neutron được sắp xếp theo lớp từ trong ra ngoài là xương sống của vật lý cấu trúc hạt nhân hiện đại, trong đó hầu hết các hạt nhân đều có thể mô tả theo mô hình cấu trúc này. Tuy nhiên, trong các hạt nhân nhẹ vẫn tồn tại các trạng thái không có cấu trúc vỏ, mà thay vào đó các proton và neutron liên kết tạo thành các cụm alpha trong hạt nhân. Các trạng thái như vậy thường là các trạng thái cộng hưởng và được gọi là trạng thái cụm alpha (alpha cluster). Các trạng thái alpha cluster có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong vật lý thiên văn hạt nhân. Đây là trạng thái trung gian của quá trình tổng hợp các hạt alpha tạo thành các hạt nhân hợp phần lớn hơn: như quá trình tổng hợp ba hạt alpha tạo thành ¹²C qua trạng thái cluster (0⁺ ở 7.65 MeV), hay các quá trình tổng hợp nα khác tạo thành ¹⁶O, ²⁰Ne… Quá trình tổng hợp nα qua các trạng thái cluster giải thích tại sao ¹⁶O và ¹²C có độ phổ biến thứ ba và thứ tư trong vũ trụ (chỉ sau proton và heli). Trạng thái này cũng vai trò quan trọng trong chu trình CNO để tạo ra hạt α trên các ngôi sao bên cạnh chuỗi tổng hợp pp trên mặt trời.

Hình ảnh: Cấu trúc alpha cluster của ¹²C ở trạng thái kích thích 7.65 MeV gần ngưỡng phân rã alpha (nguồn: https://physics.aps.org/articles/v4/94)

       Mặc dù vậy, các nghiên cứu cấu trúc trạng thái cluster trước đây gặp rất nhiều khó khăn. Trong khi thời gian sống ngắn của trạng thái cluster không bền gây ra những khó khăn trong việc thiết lập thí nghiệm và ghi nhận số liệu, thì cấu trúc biến dạng của hạt nhân gây khó khăn trong mô tả, tính toán cấu trúc của trạng thái này. Các tính toán từ mẫu vỏ thậm chí đã không thể chỉ ra được sự tồn tại của nó, thay vào đó người ta dùng lý thuyết tương tác hạt boson với giả thiết hàm sóng hạt nhân là tổ hợp của các hạt α liên kết nhau. Các tính toán của các mẫu cluster này đã mô tả rất tốt các đặc trưng của trạng thái này như năng lượng cộng hưởng, độ rộng, thời gian sống … Ngày nay, sự phát triển của khoa học công nghệ gia tốc và các kỹ thuật ghi nhận hạt có độ phân dải cao cho phép chúng ta thiết lập thí nghiệm để hiểu rõ hơn bức tranh cấu trúc cũng như vai trò của trạng thái này trong các quá trình tổng hợp trên các sao.

Hình ảnh minh họa quá trình chuyển một hạt alpha từ hạt nhân ¹²C vào hạt alpha tới để tạo thành hai hạt nhân ⁸Be.

       Năm 2020, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân đã thực hiện một phân tích nghiên cứu cấu trúc cluster thông qua phản ứng chuyển một hạt α trong phản ứng ¹²C(α, ⁸Be) ⁸Be trong hạt nhân ¹²C và ⁸Be. Trong công trình này, các thông tin hàm sóng từ các tính toán cấu trúc vi mô được sử dụng để phân tích số liệu thực nghiệm đo được. Kết quả nghiên cứu là sự kết nối giữa tính toán lý thuyết vi mô và số liệu thực nghiệm qua đó vừa kiểm tra lại sự phù hợp của các mẫu vi mô, nhưng cũng vừa cho ta thấy bức tranh cấu trúc từ các số liệu thực nghiệm quan sát được. Đây cũng là lần đầu tiên công bố kết quả nghiên cứu về xây dựng thế tương tác hạt nhân ⁸Be + ⁸Be siêu biến dạng, liên kết yếu và thời gian sống ngắn. Từ tương tác α-α thực (đã được biết rõ), nhóm nghiên cứu thực hiện phép tính liên kênh tán lên các trạng thái cộng hưởng liên tục (CDCC bốn hạt) để mô tả hàm sóng chuyển động tương đối hệ nhiều hạt, từ đó xác định được thế tương tác hạt nhân của nhiều α với nhau. Chi tiết các kết quả nghiên cứu của nhóm được công bố trên tạp chí Physical Review C: https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.102.024622. Kết quả nghiên cứu này mở ra một hướng tiếp cận mới để tính được thế tương tác hạt nhân của các hạt nhân biến dạng, thời gian sống vô cùng ngắn.

Đỗ Công Cương