Lần đầu tiên đo được một phân tử phóng xạ có thời gian sống ngắn

Đăng lúc: Thứ hai - 01/06/2020 22:23 - Người đăng bài viết: admin
Các nhà nghiên cứu tại MIT và một số cơ sở nghiên cứu khác đã kết hợp được sức mạnh của một máy siêu gia tốc với kỹ thuật của quang phổ laser để lần đầu tiên đo một cách chính xác một phân tử phóng xạ có thời gian tồn tại ngắn, radium monofluoride.

Độ chính xác của các nghiên cứu về những phân tử phóng xạ mở ra nhiều cơ hội cho các nhà nghiên cứu kiếm tìm một dạng vật lý mới ngoài Mô hình chuẩn, như những hiện tượng vi phạm các đối xứng cơ bản trong tự nhiên và tìm những dấu hiệu về vật chất tối. Kỹ thuật thực nghiệm của nhóm nghiên cứu này có thể được sử dụng để thực hiện những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về các phân tử phóng xạ được tạo ra trong các quá trình vật lý thiên văn.

“Các kết quả nghiên cứu của chúng tôi đã tiến trên con đường đến các nghiên cứu có độ tính xác cao về các phân tử có thời gian sống ngắn, vốn có thể đưa ra một dạng phòng thí nghiệm mới và độc nhất vô nhị cho nghiên cứu vật lý cơ bản và những lĩnh vực khác”, Ronald Fernando Garcia Ruiz, nhà vật lý tại MIT và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Các đồng nghiệp của Garcia Ruiz bao gồm Alex Brinson, một người từng học ở MIT, cùng với một nhóm nghiên cứu quốc tế làm việc tại CERN. Kết quả nghiên cứu được xuất bản trên Nature.

Đảo chiều thời gian

Phân tử đơn giản nhất được tạo ra từ hai nguyên tử, mỗi nguyên tử có một hạt nhân chứa các proton và neutron khiến cho nguyên tử này nặng hơn nguyên tử khác. Mỗi hạt nhân được bao quanh một đám mây electron. Với sự hiện diện của một điện trường, các electron này có thể được tái phân bố để tạo ra một điện trường lớn hơn bên trong phân tử.

Các nhà vật lý đã sử dụng các phân tử và điện trường của chúng như những phòng thí nghiệm tối giản để nghiên cứu về những đặc tính cơ bản của electron và các hạt hạ nguyên tử khác. Ví dụ, khi một electron được giới hạn tương tác với điện trường của phân tử đó, năng lượng của nó có thể thay đổi, và các nhà khoa học có thể đo đạc để có thể suy ra các đặc tính của electron, như mô men lưỡng cực điện (electrostatic dipole moment), vốn có thể đem lại một phép đo đạc sự chuyển hướng khỏi dạng hình cầu.

Theo Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, các hạt cơ bản có thể là hình cầu hoặc có một mô men lưỡng cực điện không đáng kể. Nếu một mô men lưỡng cực điện không đổi của một hạt hoặc một hệ đang tồn tại, nó có thể ngụ ý rằng các quá trình trong tự nhiên không đối xứng như các nhà vật lý giả định.

Ví dụ, các nhà vật lý tin rằng các quy luật cơ bản của tự nhiên có thể giữ không thay đổi với hướng thời gian – một nguyên tắc được biết như thời gian đảo chiều đối  xứng. Đó là, bất chấp việc liệu thời gian trôi theo hướng về phía trước hay sau, lực hấp dẫn, ví dụ, có thể là nguyên nhân của việc một quả bóng rơi khỏi vách đá, hoặc lăn vòng trở lại, dọc theo cùng đường với vận tốc và không gian. Dẫu sao, nếu một electron không ở dạng hình cầu hoàn hảo, nó có thể chỉ dấu là thời gian đảo ngược đối xứng bị vi phạm. Vi phạm này có thể đem lại một điều kiện cần thiết để giải thích tại sao lại có nhiều vật chất hơn phản vật chất trong vũ trụ của chúng ta.

Bằng việc nghiên cứu về các tương tác của một electron với các điện trường cực mạnh, các nhà nghiên cứu có thể có được cơ hội đo đạc một cách chính xác các mô men lưỡng cực điện của chúng. Trong các phân tử nhất định, các nguyên tử của chúng càng nặng thì các nội điện trường của chúng càng mạnh. Các phân tử phóng xạ - những phân tử chứa ít nhất một hạt nhân không bền – có thể được thiết kế để tối đa các nội điện trường của chúng. Dẫu sao, hạt nhân phóng xạ nặng có thể có các hình dạng như quả lê, vốn có thể khuếch đại các đặc tính vi phạm đối xứng của chúng.

Bởi vì các điện trường cao của chúng và những hình dạng hạt nhân độc nhất vô nhị, các nguyên tử phóng xạ có thể khiến các phòng thí nghiệm tự nhiên này chứng minh không chỉ về cấu trúc của electron mà còn cả các đặc tính hạt nhân vi phạm đối xứng. Nhưng các phân tử này có thời gian sống ngắn, và các nhà khoa học đã không thể bắt được chúng.

“Các phân tử phóng xạ này rất hiếm tồn tại trong tự nhiên và một vài phân tử trong số chúng không thể tồn tại trên hành tinh chúng ta mà chỉ có thể thấy được trong những quá trình vật lý thiên văn như các vụ nổ sao, hoặc những sáp nhập sao neutron”, Garcia Ruiz giải thích. “Vì vậy chúng tôi phải tạo ra chúng và những thách thức lớn nhất là chúng chỉ có thể được tạo ra trong một lượng nhỏ ở những mức nhiệt độ cao và có thời gian sống ngắn”.

Cái kim trong bóng tối

Nhóm nghiên cứu đã tìm kiếm theo cách tạo ra radium monoflouride (RaF) – một phân tử phóng xạ có một nguyên tử rất nặng và không bền, và một nguyên tử fluoride. Phân tử này được quan tâm đặc biệt bởi các đồng vị nhất định của hạt nhân radi tự chúng đã bất đối xứng, giống như quả lê, với nhiều bất đối xứng về khối lượng tại điểm cuối của hạt nhân hơn những hạt nhân khác.

Thêm nữa, các nhà vật lý lý thuyết sự đoán là cấu trúc năng lượng của radium monofluoride có thể khiến cho nguyên tử này tuân theo việc làm mát bằng laser, một kỹ thuật sử dụng các laser để hạ nhiệt độ của các phân tử, và làm chậm chúng đủ để thực hiện chính xác các nghiên cứu. Trong khi phần lớn các phân tử có nhiều trạng thái năng lượng chúng có thể chiếm giữ, với một số lượng lớn các trạng thái vi phạm và quay thì radium monofluoride thiên về những biến đổi electron giữa một vài mức năng lượng chính – một phân tử đơn giản một cách khác thường để kiểm soát, sử dụng sự làm lạnh bằng laser.

Nhóm nghiên cứu đã có thể đo đạc được các phân tử RaF bằng việc đầu tiên tạo ra một số lượng nhỏ phân tử này bằng thiết bị Trực tuyến Phân tách Khối  đồng vị (Isotope mass Separator On-Line ISOLDE) tại CERN, sau đó họ thao tác và nghiên cứu với laser bằng việc sử dụng thí nghiệm Quang phổ học ion hóa cộng hưởng cộng tuyến  (Collinear Resonance Ionization Spectroscopy CRIS).

Trong thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy gia tốc Proton Synchrotron Booster của CERN, một chuỗi các vòng tròn giữ các proton từ một máy gia tốc hạt và sau đó gia tốc chúng. Nhóm nghiên cứu đã bắn các proton này vào một bia được làm từ uranium carbide, tại các mức năng lượng cao đủ phá hủy uranium, tạo ra một “cơn mưa” proton và neutron được trộn thành một hạt nhân phóng xạ chứa radium.

Nhà nghiên cứu Ronald Fernando Garcia Ruiz.

Các nhà nghiên cứu sau đó bơm một luồng khí carbon tetrafluoride, vốn có thể tương tác với radium để tích điện tích, hoặc ion hóa các phân tử radium monofluoride, vốn được phân tách khỏi phần còn lại của uranium thông qua một hệ từ tách khối. Sau đó họ giữ chặt các phân tử trong một bẫy ion và bao bọc chúng bằng khí helium, làm lạnh các phân tử xuống mức đủ để cho các nhà nghiên cứu đo đạc chúng.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu đo các phân tử bằng việc tái gia tốc và đưa chúng qua CRIS, nơi các phân tử ion hóa tương tác với các nguyên tử sodium, đưa một electron vào mỗi phân tử để trung hòa chùm tia phân tử ngay tại chỗ. Các phân tử được trung hòa tiếp tục tham gia một vùng tương tác, nơi các nhà nghiên cứu rọi hai chùm laser – một đỏ, một xanh.

Họ đưa tần số của tia laser đỏ lên và xuống, rồi tìm thấy là lại những bước sóng nhất định, laser cộng hưởng với các phân tử đó, kích thích một electron trong phân tử với mức năng lượng khác, còn laser xanh đủ năng lượng để loại electron khỏi phân tử. Các phân tử được kích thích, ion hóa thêm lần nữa, đã chuyển hướng và được thu nhận lại trên một máy dò hạt, cho phép các nhà nghiên cứu đo đạc lần đầu tiên, các mức năng lượng của chúng, và các đặc tính của phân tử liên kết chứng minh cấu trúc của các phân tử thuận lợi cho việc làm lạnh bằng laser.

“Trước khi nghiên cứu của chúng tôi được thực hiện thì tất cả các mức năng lượng của những phân tử này còn chưa được biết đến một cách rõ ràng”. Garcia Ruiz nói. “Nó giống như tìm một cái kim trong gian phòng tối với chiều rộng hàng trăm mét. Giờ đây chúng tôi đã tìm thấy cái kim, chúng tôi có thể đo đạc được đặc tính của cái kim đó và bắt đầu cuộc chơi với chúng”.

Thanh Phương dịch

Nguồnhttps://phys.org/news/2020-05-physicists-short-lived-radioactive-molecule.html


Nguồn tin: Tia Sáng

Share/Save/Bookmark
Từ khóa:

n/a

Đánh giá bài viết
Tổng số điểm của bài viết là: 0 trong 0 đánh giá
Click để đánh giá bài viết
 

Lien he quang cao
Liên hệ quảng cáo
Thống kê truy cập Website
  • Đang truy cập: 24
  • Hôm nay: 2125
  • Tháng hiện tại: 12752
  • Tổng lượt truy cập: 18189506