Các nhà khoa học tạo ra đồng vị hydro-6 cực hiếm, thách thức vật lý hạt nhân
Bởi Đại học Johannes Gutenberg Mainz
Các nhà nghiên cứu đã sản xuất thành công hydro-6, một đồng vị cực kỳ giàu neutron, thông qua một kỹ thuật tán xạ electron mới tại Mainz Microtron. Thí nghiệm mang tính đột phá này đã tiết lộ một năng lượng trạng thái cơ bản thấp đáng ngạc nhiên đối với hydro-6, thách thức các mô hình hiện tại về tương tác neutron trong hạt nhân nguyên tử. Nguồn: SciTechDaily.com
Lần đầu tiên, đồng vị hydro cực kỳ giàu neutron ⁶H đã được sản xuất và đo lường bằng một thí nghiệm tán xạ electron, cho thấy những tương tác mạnh bất ngờ giữa các neutron bên trong hạt nhân.
Các nhà nghiên cứu từ A1 Collaboration tại Viện Vật lý hạt nhân, Đại học Johannes Gutenberg Mainz (JGU), hợp tác với các nhà khoa học từ Trung Quốc và Nhật Bản, đã sản xuất thành công hydro-6, một trong những đồng vị giàu neutron nhất, bằng cách sử dụng tán xạ electron lần đầu tiên. Được tiến hành tại cơ sở quang phổ của máy gia tốc hạt Mainz Microtron (MAMI), thí nghiệm này giới thiệu một phương pháp mới để nghiên cứu các hạt nhân nhẹ, giàu neutron.
Những phát hiện này cung cấp những hiểu biết mới và đặt ra những thách thức đáng kể đối với các mô hình tương tác đa nucleon hiện có.
Giáo sư Josef Pochodzalla từ Viện Vật lý hạt nhân JGU nhấn mạnh: "Phép đo này chỉ có thể được thực hiện nhờ sự kết hợp độc đáo giữa chất lượng tuyệt vời của chùm electron MAMI và ba máy quang phổ có độ phân giải cao của A1 Collaboration". Các nhà nghiên cứu từ Đại học Fudan ở Thượng Hải, Trung Quốc cũng như từ Đại học Tohoku Sendai và Đại học Tokyo, Nhật Bản đã tham gia vào thí nghiệm này.
Công trình thực nghiệm này do nghiên cứu sinh tiến sĩ Tianhao Shao dẫn đầu và đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Giới hạn của cấu trúc hạt nhân trong các hệ thống cực kỳ giàu neutron
Một trong những câu hỏi cơ bản nhất trong vật lý hạt nhân là có bao nhiêu neutron có thể liên kết trong một hạt nhân nguyên tử với một số proton nhất định. Đối với đồng vị cơ bản hydro, chỉ chứa một proton duy nhất, một số đồng vị rất giàu neutron từ ⁴H đến ⁷H đã được quan sát thấy ngoài deuteron và triton nổi tiếng.
Thiết lập ba máy quang phổ có độ phân giải cao trong phòng thí nghiệm A1, được sử dụng để phát hiện ⁶H. Tín dụng: Ryoko Kino, Josef Pochodzalla
Các đồng vị hydro cực nặng ⁶H – bao gồm một proton và năm neutron – và ⁷H – với một neutron nữa – có tỷ lệ neutron trên proton cao nhất được biết đến cho đến nay. Chúng là những hệ thống độc đáo để giải quyết câu hỏi này. Tuy nhiên, dữ liệu thực nghiệm về các hạt nhân kỳ lạ này rất khan hiếm và kết quả vẫn còn gây tranh cãi. Đặc biệt, có một cuộc tranh luận lâu dài về việc năng lượng trạng thái cơ bản của ⁶H là thấp hay cao.
Phương pháp mới để tạo ra hydro-6 trong thí nghiệm Hợp tác A1
Cùng với các nhà khoa học Trung Quốc và Nhật Bản tham gia, Hợp tác A1 đã phát triển một phương pháp mới để tạo ra ⁶H. Trong phương pháp này, một chùm electron có năng lượng 855 megaelectronvolt (MeV) chiếu vào mục tiêu ⁷Li, tạo ra ⁶H thông qua một quá trình gồm hai bước: đầu tiên, một proton trong hạt nhân lithium được kích thích cộng hưởng bởi sự tương tác với electron và nhanh chóng phân rã thành một neutron và một pion tích điện dương.
Nếu neutron này sau đó truyền năng lượng của nó cho một proton khác trong hạt nhân, nó có thể tạo thành đồng vị hydro giàu neutron ⁶H cùng với hạt nhân còn lại, trong khi pion và proton rời khỏi hạt nhân và có thể được phát hiện đồng thời cùng với electron phân tán bằng ba máy quang phổ từ. Để đạt được tốc độ sản xuất đủ cho quy trình hiếm này, chùm tia điện tử đã chạy qua một tấm lithium dài 45 mm và dày 0,75 mm dọc theo cạnh dài 45 mm. Điều này rất bất thường vì các thí nghiệm tán xạ electron thường sử dụng các mục tiêu rất mỏng dọc theo trục chùm tia, với chùm tia chiếu vào một bề mặt rộng vuông góc với hướng truyền của nó.
Thiết lập đặc biệt này có thể thực hiện được nhờ chất lượng chùm tia tuyệt vời của MAMI, đặc biệt là chùm tia điện tử cực kỳ tập trung và ổn định. Một thách thức khác là xử lý bản thân lithium vì vật liệu này có phản ứng hóa học cao, dễ vỡ về mặt cơ học và nhạy cảm với nhiệt độ.
Trong chiến dịch đo lường kéo dài bốn tuần, người ta đã quan sát được khoảng một sự kiện mỗi ngày, đúng như ước tính. Đây là một trong những thí nghiệm hiếm hoi tại MAMI mà cả ba máy quang phổ có độ phân giải cao trong phòng thí nghiệm A1 đều được vận hành đồng thời ở chế độ trùng hợp để có thể phát hiện ba hạt cùng một lúc. Thiết lập phức tạp này cho phép đạt được mức độ chính xác chưa từng đạt được trước đây, đồng thời vẫn duy trì được mức nền cực kỳ thấp.
Phép đo mới cung cấp tín hiệu rõ ràng về ⁶H với năng lượng trạng thái cơ bản rất thấp, cho thấy sự tương tác mạnh hơn giữa các neutron trong 6H so với dự kiến từ các tính toán lý thuyết gần đây. Điều này kết quả do đó thách thức sự hiểu biết của chúng ta về tương tác đa hạt nhân trong các hệ thống rất giàu neutron.
Tài liệu tham khảo: “Đo năng lượng trạng thái cơ bản 6H trong thí nghiệm tán xạ electron tại MAMI-A1” của Tianhao Shao, Jinhui Chen, Josef Pochodzalla, Patrick Achenbach, Mirco Christmann, Michael O. Distler, Luca Doria, Anselm Esser, Julian Geratz, Julian Geratz, Christian Helmel, Matthias Hoek, Ryoko Kino, Pascal Klag, Yu-Gang Ma, David Markus, Harald Merkel, Miha Mihovilovič, Ulrich Müller, Sho Nagao, Satoshi N. Nakamura, Kotaro Nishi, Ken Nishida, Fumiya Oura, Jonas Pätschke, Björn Sören Schlimme, Concettina Sfienti, Daniel Steger, Marcell Steinen, Michaela Thiel, Andrzej Wilczek và Luca Wilhelm, ngày 22 tháng 4 năm 2025, Thư đánh giá vật lý.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.162501
Thí nghiệm được tài trợ bởi Quỹ nghiên cứu Đức (DFG) như một phần của Chương trình nghiên cứu và phát triển trọng điểm quốc gia của Trung Quốc và bởi chương trình tài trợ nghiên cứu và đổi mới Horizon 2020 của Liên minh châu Âu. Quỹ khoa học tự nhiên quốc gia của Trung Quốc và Hiệp hội thúc đẩy khoa học Nhật Bản (JSPS) đã hỗ trợ thêm.
