Máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới biến chì thành vàng

Nhóm nhà vật lý làm việc với Máy gia tốc hạt lớn (LHC) của Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN) ở Thụy Sĩ lần đầu tiên công bố kết quả đo lường trực tiếp quá trình chuyển đổi chì thành vàng trong va chạm hạt năng lượng cao. Nghiên cứu mang tính bước ngoặt này đánh dấu hoàn thành nỗ lực biến đổi kim loại của các nhà giả kim cổ đại dù chỉ ở quy mô hạ nguyên tử.

“Biến đổi kim loại cơ bản như chì thành kim loại quý (vàng) là giấc mơ của vô số nhà giả kim thời Trung Cổ”, nhóm nghiên cứu cho biết. “Mãi tới sau này, giới khoa học mới chỉ rõ chì và vàng là hai nguyên tố hóa học riêng biệt và phương pháp hóa học không thể biến đổi chúng”.

Sử dụng sức mạnh của LHC, các nhà khoa học quan sát sự chuyển đổi này và định lượng chính xác quá trình xảy ra trong môi trường cực hạn của các ion chì va chạm. Phương pháp tiếp cận sáng tạo của nhóm phụ trách máy dò ALICE tập trung vào va chạm “suýt trượt” của những hạt nhân chì di chuyển gần với tốc độ ánh sáng. Va chạm năng lượng cực cao giữa các hạt nhân chì tại LHC có thể tạo ra plasma quark – gluon, một trạng thái vật chất nóng và đặc, được cho là từng lấp đầy vũ trụ khoảng một phần triệu giây sau Vụ nổ lớn, tạo ra vật chất mà con người biết ngày nay.

Trường điện từ cực kỳ dữ dội sinh ra trong cuộc đụng độ gần này giải phóng dòng photon ảo. Những photon này có thể tương tác với các hạt nhân chì bay ngang qua, khiến chúng mất đi proton. Khi một hạt nhân chì (82 proton) mất 3 proton, nó biến đổi thành vàng (79 proton). “Thật ấn tượng khi máy dò của chúng tôi có thể xử lý các va chạm trực diện tạo ra hàng nghìn hạt, đồng thời rất nhạy với va chạm chỉ tạo ra một vài hạt mỗi lần, cho phép nghiên cứu quá trình biến đổi hạt nhân bằng điện từ rất hiếm gặp”, tiến sĩ Marco Van Leeuwen, phát ngôn viên của nhóm ALICE, chia sẻ.

Thông qua phân tích tỉ mỉ phụ phẩm của tương tác này bằng nhiệt lượng kế không độ ALICE (ZDC), nhóm nghiên cứu có thể xác định dấu hiệu đặc trưng của hạt nhân vàng được tạo ra. Phân tích của họ chỉ ra LHC hiện nay sản xuất vàng ở tốc độ đỉnh điểm khoảng 89.000 hạt nhân/giây trong các va chạm ion chì tại điểm tương tác ALICE.

Tuy nhiên, vàng tạo ra trong quá trình này không tồn tại lâu. Hạt nhân vàng năng lượng cao chỉ tồn tại trong tích tắc trước khi va chạm với cơ sở hạ tầng của LHC và tan rã. Phân tích của ALICE cho thấy lượt chạy thứ hai của LHC (năm 2015-2018), khoảng 86 tỷ hạt nhân vàng được tạo ra ở 4 thí nghiệm lớn. Về khối lượng, con số đó tương đương với 29 picogram (1 picogram = 0,000000000001 gram).

Theo CERN, ngoài biến đổi kim loại, nghiên cứu cũng cung cấp những hiểu biết quý giá về hoạt động của máy gia tốc hạt, giúp kiểm tra và cải thiện mô hình lý thuyết về phân rã điện từ. Qua đó dự đoán tổn thất chùm tia, một giới hạn lớn đối với hiệu suất của LHC và các máy gia tốc tương lai, theo nhà nghiên cứu John Jowett ở nhóm ALICE.

An Khang (Tổng hợp)