Nguyên tố của thần Mặt trời đang làm đau đầu các nhà khoa học

Helium là nguyên tố đơn giản trong bảng tuần hoàn được đặt tên theo thần Mặt trời. Thế nhưng, lý thuyết hiện đại và các thí nghiệm về nó lại đưa ra kết quả khác nhau rất khó hiểu.

Helium là một trong những nguyên tố đơn giản nhất của tự nhiên, chỉ phức tạp hơn hidro. Thế nhưng, nguyên tố của thần Mặt trời đang khiến các nhà khoa học phải đau đầu sau khi nghiên cứu mới cho thấy các proton và neutron trong nguyên tử heli không hoạt động giống như trên lý thuyết. Sự không phù hợp giữa các dự đoán lý thuyết về cách các hạt này hoạt động và những gì đang xảy ra với nguyên tử heli có thể gợi mở cho vật lý mới ngoài Mô hình Chuẩn, mô hình lý thuyết vốn bao trùm trong việc mô tả thế giới các hạt hạ nguyên tử.

Trong nghiên cứu được công bố vào tháng 4 trên tạp chí Physical Review Letters, các nhà vật lý đã kích hoạt một khối chứa nguyên tử heli bằng các electron để đẩy hạt nhân heli vào trạng thái kích thích, khiến hạt nhân tạm thời phồng lên, giống như lồng ngực đang hít vào. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng phản ứng của các proton và neutron trong hạt nhân đối với chùm electron khác biệt đáng kể so với những gì được xác nhận bởi lý thuyết vốn được các nhà khoa học đã đúc kết sau khi thực hiện nhiều thí nghiệm từ nhiều thập niên trước.

Nghiên cứu mới chứng minh rằng sự không phù hợp này là có thật, không phải là tạo tác của sai số trong thực nghiệm. Thay vào đó, có vẻ như các nhà khoa học trước đây đơn giản là không nắm bắt đủ vững chắc về vật lý năng lượng thấp chi phối tương tác giữa các hạt trong hạt nhân.

Mô phỏng hạt nhân nguyên tử heli.

Hạt nhân nguyên tử heli phổ biến bao gồm hai proton và hai neutron. Các phương trình mô tả hành trạng của hạt nhân heli được sử dụng cho tất cả các loại vật chất hạt nhân và neutron, vì vậy việc giải quyết sự khác biệt có thể giúp chúng ta hiểu các hiện tượng kỳ lạ khác, chẳng hạn như sự hợp nhất của các sao neutron.

Sự khác biệt giữa lý thuyết và thực nghiệm lần đầu tiên trở nên rõ ràng vào năm 2013 sau các tính toán về hạt nhân heli do nhóm của nhà khoa học Sonia Bacca, khi đó đang làm việc tại máy gia tốc hạt TRIUMF quốc gia của Canada (hiện Bacca là Giáo sư tại Đại học Johannes Gutenberg Mainz – Đức và cũng là đồng tác giả của nghiên cứu mới). Bacca và các đồng nghiệp đã sử dụng các kỹ thuật nâng cấp để tính toán cách các proton và neutron trong hạt nhân heli hoạt động khi bị kích thích bởi một chùm electron, mang lại các số liệu khác biệt đáng kể so với dữ liệu thực nghiệm trước. Tuy nhiên, dữ liệu thực nghiệm trước được sử dụng để so sánh có từ những năm 1980 và được ghi lại với độ chính xác không đạt chuẩn ngày nay.

Tác giả chính của nghiên cứu mới Simon Kegel, một nhà vật lý hạt nhân đã nghiên cứu hạt nhân heli cho luận án tiến sĩ của mình tại Đại học Johannes Gutenberg Mainz, đã chỉ ra rằng các thiết bị mà trường đại học của ông đang sở hữu có thể thực hiện lại các phép đo này với độ chính xác rất cao.

Càng hiện đại càng hại điện

Lực giữ các hạt hạ nguyên tử trong hạt nhân một nguyên tử liên kết lại với nhau được gọi là lực tương tác mạnh - nhưng vô số hiệu ứng bắt nguồn từ các khía cạnh của các tương tác này làm phức tạp thêm các tính toán về cách các hạt này tương tác. Các nhà lý thuyết đã đơn giản hóa vấn đề bằng cách sử dụng "lý thuyết trường hiệu quả" (EFT), lý thuyết xấp xỉ nhiều lực tác dụng lên các hạt, giống như file ảnh phổ biến dạng jpeg gồm xấp xỉ tất cả dữ liệu trong file hình ảnh không nén. Phiên bản nâng cấp của EFT đưa ra kết quả gần đúng hơn về các hiệu ứng làm phức tạp các mô phỏng lực tương tác mạnh trong hạt nhân. Tuy nhiên, khi các nhà nghiên cứu xử lý các con số, họ nhận thấy các dự đoán lý thuyết mới thậm chí còn khác xa với các hiện tượng quan sát được so với các phép tính gần đúng thô sơ trước đây.

Để kiểm tra xem có bao nhiêu sự khác biệt có thể là do sai số của thí nghiệm, Kegel và đội Mainz đã sử dụng cơ sở máy gia tốc điện tử MAMI tại trường Đại học để bắn một chùm electron vào một vật chứa nguyên tử heli. Các electron đẩy hạt nhân heli vào trạng thái kích thích được mô tả là một đơn cực đẳng hướng. Bacca mô tả: “Hãy tưởng tượng hạt nhân giống như một quả cầu thay đổi bán kính, phồng lên và co lại, giữ tính đối xứng hình cầu”.

Hai tham số đã cải thiện độ chính xác của các phép đo - mật độ của các nguyên tử heli trong vật chứa và cường độ của chùm electron năng lượng thấp. Kegel cho biết cả hai đều có thể đạt giá trị rất cao tại cơ sở của Đại học Mainz.

Trước khi họ hoàn thành việc phân tích dữ liệu, rõ ràng là bộ dữ liệu mới này sẽ không giải quyết được vấn đề. Các nhà khoa học vẫn chưa biết nguồn gốc của sự khác biệt giữa lý thuyết và thực nghiệm. Nhưng Bacca gợi ý rằng "các phần tương tác bị thiếu hoặc không được hiệu chỉnh tốt" có thể là nguyên nhân.

Sau khi Máy gia tốc siêu dẫn phục hồi năng lượng Mainz (MESA) siêu tối tân đi vào hoạt động vào năm 2024, nó sẽ tạo ra các chùm electron có cường độ lớn hơn so với máy gia tốc hiện tại, mặc dù vẫn ở mức năng lượng thấp cần thiết cho loại thí nghiệm này. Cường độ cao hơn của MESA sẽ cho phép các phép đo có độ chính xác cao hơn nữa và một cái nhìn thậm chí còn chi tiết hơn về biên giới năng lượng thấp của Mô hình Chuẩn.