Các nhà khoa học sốc nặng khi phá vỡ 'hạt nhân ma thuật kép' trong nguyên tử chì 208

Nguyên tử của đồng vị chì 208 từng được kỳ vọng có hạt nhân là hình cầu hoàn hảo cho đến khi lộ mặt trong thí nghiệm mới đây

Khác xa với hình cầu hoàn hảo mà các nhà vật lý từ Đại học Surrey dự đoán, hạt nhân của đồng vị chì 208 (208Pb) dường như bị bóp dẹt một cách bất ngờ. Phát hiện này cho thấy rằng hạt nhân nguyên tử có thể phức tạp hơn chúng ta nghĩ và có thể có ý nghĩa đối với sự hiểu biết của chúng ta về sự hình thành các nguyên tố nặng.

Các nhà nghiên cứu viết: "Kết quả này cho thấy sự biến dạng kéo dài theo thời gian của hạt nhân. Do đó, ngay cả khi là xét ở cấp độ hạt nhân, 208Pb vẫn là một bí ẩn đối với các lý thuyết về cấu trúc hạt nhân".

208Pb là một nguyên tử rất đặc biệt. Khi số lượng proton hoặc neutron là thứ mà chúng ta gọi là số 'ma thuật', thì các nucleon đó tạo thành một lớp vỏ được chiếm giữ hoàn toàn. Một nguyên tử mà cả proton và neutron đều bao gồm các số ma thuật được gọi là ma thuật kép; đây là trường hợp của 208Pb, có 82 proton và 126 neutron.

Hạt nhân ma thuật kép đặc biệt ổn định chống lại sự phân rã hạt nhân; 208Pb là đồng vị ổn định nặng nhất được biết đến của bất kỳ nguyên tố nào. Do đó, nó được coi là nền tảng quan trọng của vật lý hạt nhân và là chìa khóa để hiểu hạt nhân ma thuật kép trên diện rộng.

Vì 208Pb rất ổn định, các nhà khoa học nghĩ rằng hạt nhân phải hoàn toàn hình cầu. Nhưng khi họ sử dụng máy quang phổ tia gamma GRETINA của Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne tại Mỹ để thăm dò cấu trúc của 208Pb, thì họ tìm thấy những gì khác xa tưởng tượng.

Tiến sĩ Jack Henderson - Thành viên của UKRI Future Leaders cho biết: "Chúng tôi đã có thể kết hợp bốn phép đo riêng biệt bằng thiết bị thử nghiệm nhạy nhất thế giới cho loại nghiên cứu này. Điều đó cho phép chúng tôi thực hiện quan sát đầy thách thức. Những gì được quan sát thấy đã làm chúng tôi ngạc nhiên, chứng minh một cách thuyết phục rằng 208Pb không phải hình cầu, như người ta có thể ngây thơ tin ngộ nhận. Những phát hiện này trực tiếp thách thức kết quả từ các đồng nghiệp của chúng tôi trong lý thuyết hạt nhân, mở ra một hướng đi thú vị cho nghiên cứu trong tương lai".

Các thí nghiệm bao gồm việc bắn phá hạt nhân 208Pb bằng các hạt được tăng tốc đến 10% tốc độ ánh sáng - khoảng 30.000 km mỗi giây. Kết quả vụ bắn phá này kích thích các trạng thái lượng tử trong hạt nhân. Từ đó, các nhà vật lý có thể phân tích các trạng thái lượng tử này để tiết lộ hình dạng của chính hạt nhân.

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện bốn phép đo trạng thái lượng tử riêng biệt, kết hợp chúng để khám phá ra hình cầu hơi dẹt ở trung tâm của nguyên tử 208Pb. Thực ra không phải là chưa có ai từng nhìn vào 208Pb trước đây mà hạt nhân nguyên tử này đã được nghiên cứu rất kỹ lưỡng. Sau tất cả nghiên cứu này, việc phát hiện ra rằng hình dạng của nó khác với những gì các nhà vật lý đã hình dung quả là điều đáng kinh ngạc. Và, các nhà nghiên cứu cho biết, họ không biết tại sao nó lại là một hình cầu dẹt.

Đây là một khám phá cho thấy có thể có nhiều điều đang diễn ra với hạt nhân nguyên tử hơn những gì chúng ta đã giả định và cần phải nghiên cứu thêm để khám phá ra bí mật của chúng. Nhà vật lý hạt nhân Paul Stevenson của Đại học Surrey cho biết: "Những thí nghiệm có độ nhạy cao này đã làm sáng tỏ một điều mà chúng ta nghĩ rằng mình đã hiểu rất rõ, đồng thời đặt ra cho chúng ta thách thức mới là tìm hiểu lý do tại sao. Một khả năng là các dao động của hạt nhân chì-208, khi bị kích thích trong các thí nghiệm, ít đều đặn hơn so với giả định trước đây. Hiện chúng tôi đang tinh chỉnh thêm các lý thuyết để xác định xem hướng giải thích này có đúng không".

Anh Tú