Nghiên cứu cấu trúc hạt nhân trên máy gia tốc: thách thức và cách tiếp cận của Việt Nam

Mặc dù cấu trúc hạt nhân (CTHN) là đối tượng được nghiên cứu ngay từ khi phát hiện ra hạt nhân nguyên tử, tuy nhiên các nghiên cứu này vẫn còn rất nóng hổi kể từ khi thực nghiệm cho phép tạo ra và đo đạc các hạt nhân không bền có chênh lệch số nơtron (N) và proton (Z) lớn. Theo sự hình dung đơn giản, hình dạng hạt nhân là một hệ quả từ CTHN. Các hạt nhân bền (N/Z ≈ 1) có dạng hình cầu (spherical), còn hạt nhân không bền có dạng elip dẹt (prolate) hoặc dài (oblate).

Đảo hạt nhân theo sự phụ thuộc N và Z,cùng các biến dạng cầu (spherical), elip dẹt (prolate) và lồi (oblate)

       Trong khuôn khổ mẫu dao động tập thể, bề mặt dao động phát ra tia gamma đặc trưng cho sự chuyển trạng thái kích thích của hạt nhân. Đo các các tia gamma này, chúng ta có thể nghiên cứu trạng thái hạt nhân. Đây cũng là phương pháp chính nghiên cứu CTHN. Thực nghiệm đã chứng minh hạt nhân bền đặc biệt bền vững khi có số N hoặc Z là các số magic 2, 8, 20, 28, 50, 82 và 126. Tức là rất khó kích thích chúng do mức kích thích đầu tiên (2⁺₁) có năng lượng (E) lớn (thường E(2⁺₁) > 2 MeV). Trái lại, các hạt nhân nằm xa đảo bền lại có E(2⁺₁) nhỏ. Thực nghiệm chỉ ra rằng ở vùng này, các số magic không nhất thiết phải là những số nói trên. Ví dụ, khi xem xét một cách hệ thống E2⁺₁) theo N của các đồng vị Ca, do E(2⁺₁) tại N=32 tăng vọt nên có thể kết luận 32 là số magic mới (Nature 498, 346).

       Khó khăn khi nghiên cứu hạt nhân không bền là thời gian sống của chúng rất ngắn (cỡ ms). Chính vì vậy, phương pháp thông thường chế tạo bia từ các hạt nhân cần nghiên cứu sau đó dùng chùm tia gia tốc proton, alpha, ..., đến bắn phá chúng, không còn phù hợp. Thay vào đó là phương pháp "Động học ngược". Ở đây, vai trò của bia và chùm gia tốc được hoán đổi (chùm hạt nhân không bền sẽ được gia tốc). Khó khăn tiếp theo là tiết diện tạo thành hạt nhân không bền rất nhỏ nên cường độ chùm gia tốc thấp, không đảm bảo thống kê cho phản ứng cần quan tâm. Điều này được bù bởi mật độ bia khi tăng độ dày. Tuy nhiên, nếu độ dày bia tăng đồng nghĩa  với việc tăng sai số khi hạt đạn tương tác với phần bia trước điểm tương tác chính. Khắc phục khó khăn này đòi hỏi phải phát triển kỹ thuật tạo bia kết hợp với đo điểm tương tác chính (thiết bị này gọi là bia hoạt (active target)). Thông tin về điểm tương tác chính sẽ được sử dụng để hiệu chỉnh sai số. Ngoài ra, thiết bị đo gamma phải có hiệu suất cao nhằm đảm bảo thống kê đo đạc.

       Có thể nói nghiên cứu CTHN trên máy gia tốc đòi hỏi trình độ khoa học và công  nghệ  rất cao cũng như sự kết hợp của nhiều ngành mà thực tế đã mang tính phân công chuyên sâu. Ngoài ra nó cần đầu tư tài chính lớn, nhiều khi riêng một trung tâm nghiên cứu không thể đáp ứng. Vì vậy, hợp tác quốc tế (HTQT) trong khoa học là xu hướng chung mang tính bắt buộc ngay cả với những nước phát triển. Khi đó, các nước tham gia cùng chia sẻ tài chính, nhân lực và thế mạnh khoa học và công nghệ của mình. Là một nước có trình độ khoa học và công nghệ thấp, đầu tư tài chính hạn chế, tham gia HTQT với đóng góp phù hợp với năng lực là cách bắt buộc để Việt Nam hội nhập, tiếp cận với trình độ nghiên cứu khoa học hiện đại nhất từ đó xây dựng đội ngũ cán bộ có trình độ cao. Về lâu dài khi có đủ tiềm năng con người cộng với việc được đầu tư thích đáng chúng ta mới có thể nghĩ đến việc thực hiện các công việc nghiên cứu theo hướng này trong nước. 

Các đồng nghiệp SEASTAR chụp ảnh lưu niệm sau chiến dịch thí nghiệm 2014.

       Từ năm 2013-2015, nhóm nghiên cứu VLHN tại Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân đã tham gia vào dự án quốc tế SEASTAR (Shell Evolution And Search for Two-plus energies At RIBF) tại RIKEN, Nhật Bản, được bộ KH&CN tài trợ thông qua nghị định thư “Nghiên cứu vật lý các hạt nhân không bền trong phạm vi phòng thí nghiệm liên hợp Việt-Pháp LIA”. Dự án nhằm đo đạc một cách hệ thống năng lượng E(2⁺ ₁) của các hạt nhân không bền từ ⁵²Ar đến ¹¹⁰Zr. Hai chiến dịch thí nghiệm đã được thực hiện vào năm 2014 và 2015, chiến dịch còn lại dự định trong mùa xuân năm 2017.

       Hai kết quả đầu tiên thu được từ SEASTAR đều được công bố trên tạp chí uy tín Physical Review Letters (có chỉ số uy tín cao IF=7.645). Công trình thứ nhất (Physical Review Letters 115, 192501) trình bày kết quả lần đầu tiên đo được E(2⁺ ₁) và E(4⁺ ₁) của ⁶⁶Cr và ^70,72Fe, cung cấp thêm số liệu và góp phần củng cố giả thiết có sự sắp xếp lại trạng thái đơn hạt so với mẫu vỏ của hạt nhân vùng lân cận N=40, còn gọi là vùng nghịch đảo (island of inversion). Công trình thứ hai (Physical Review Letters 118, 032501) trình bày kết quả lần đầu tiên đo được năng lượng các trạng thái nằm thấp của ¹¹⁰Zr và ¹¹²Mo.

       Số liệu thực nghiệm củng cố giả thiết là ¹¹⁰Zr có trạng thái kích thích dao động tập thể con quay (Rotor). Về mặt vật lý, số liệu đo đạc SEASTAR sẽ rất quan trọng trong việc nghiên cứu CTHN nằm xa vùng bền, nơi mà mẫu vỏ (nền tảng giải thích CTHN) không còn phù hợp. Chúng đóng góp thêm vào kho tàng số liệu hạt nhân thế giới, là cơ sở để kiểm chứng và chuẩn hóa các mô hình lý thuyết. Ví dụ mẫu dao động tập thể dạng con quay hay dạng dao động bề mặt, nghiên cứu lực hạt nhân khi hiểu biết còn chưa đầy đủ, .... Về mặt kỹ thuật, thí nghiệm SEASTAR chỉ có thể thực hiện với sự kết hợp ưu thế của máy gia tốc sản xuất chùm tia với cường độ lớn và detector gamma hiệu suất cao tại RIKEN cùng với bia hoạt được phát triển tại viện Năng lượng nguyên tử Pháp. Theo tính toán nếu không có sự kết hợp này, các thí nghiệm nói trên chỉ có thể được tiến hành khi cường độ chùm tia từ máy gia tốc hiện đại nhất ở thời điểm hiện tại tăng lên 10 lần.

       Hiện nay số liệu SEASTAR vẫn đang tiếp được phân tích và hứa hẹn sẽ còn nhiều kết quả tốt. Trên thế giới một dự án khoa học với đầu tư cỡ 1 triệu USD, sẽ được cho là có kết quả tốt nếu có từ 4 bài báo trên tạp chí Physical Review Letters. Với đóng góp khiêm tốn vào SEASTAR của Việt Nam (thông qua nghị định thư nói trên), có thể nói các kết quả thu được là rất thành công, giúp phần đào tạo cán bộ và nâng cao uy tín khoa học của Việt Nam.

Lê Xuân Chung

Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân