HIAF ghi dấu ấn đầu tiên: bắt được 10 ion hafni-153 ở rìa giới hạn hạt nhân

10 ion đủ để mở đầu một hành trình mới

Cơ sở Máy gia tốc ion nặng cường độ cao (High Intensity heavy-ion Accelerator Facility, HIAF) của Trung Quốc đã tạo ra và xác định đồng vị hafni-153 (^153Hf) trong giai đoạn chạy thử. Đây là kết quả vật lý đầu tiên được công bố của HIAF, đồng thời cho thấy cơ sở mới có thể vươn tới những hạt nhân cực kỳ hiếm nằm gần giới hạn tồn tại của hạt nhân nguyên tử. Tổng cộng, nhóm nghiên cứu chỉ ghi nhận được 10 ion ^153Hf.

HIAF đặt tại thành phố Huệ Châu, tỉnh Quảng Đông, và bắt đầu vận hành thử từ ngày 21/7/2026. Cơ sở này được thiết kế để tạo ra, tách và đo chính xác các hạt nhân phóng xạ hiếm — qua đó giúp các nhà vật lý lập bản đồ xem hạt nhân có thể tồn tại đến đâu trước khi trở nên không ổn định.

Nghiên cứu do Viện Vật lý Hiện đại thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn dắt, với sự tham gia của Đại học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Trung tâm GSI Helmholtz về Nghiên cứu ion nặng, Đại học Cologne, Đại học Công nghệ Đông Hoa và Phòng thí nghiệm Quảng Đông về Khoa học và Công nghệ Năng lượng Tiên tiến. Kết quả được công bố dưới dạng một thông tin ngắn trên tạp chí Science Bulletin.

Vì sao hafni-153 đáng chú ý?

Hafni-153 thuộc vùng các hạt nhân nặng thiếu neutron. Ở vùng này, sự cân bằng giữa proton và neutron ngày càng khó duy trì, khiến hạt nhân tiến sát ranh giới ổn định. Trước thí nghiệm này, ^153Hf chưa từng được báo cáo. Việc xác lập sự tồn tại và đo khối lượng của nó bổ sung một điểm dữ liệu mới để kiểm tra các mô hình khối lượng hạt nhân, đồng thời nghiên cứu sự thay đổi của cấu trúc hạt nhân khi tiến gần giới hạn ổn định.

Kết quả đo cho thấy ^153Hf là một hạt nhân liên kết hoặc liên kết yếu, phù hợp với dự đoán của nhiều mô hình khối lượng hạt nhân. Điều này chưa thể giải đáp mọi câu hỏi về đồng vị, nhưng cung cấp một phép kiểm chứng thực nghiệm quan trọng cho các lý thuyết dùng để dự đoán những hạt nhân rất khó, thậm chí chưa thể, quan sát trực tiếp.

Tạo ra và nhận diện một hạt nhân cực hiếm như thế nào?

Thí nghiệm bắt đầu với chùm bismuth-209 được gia tốc lên mức năng lượng 836,66 MeV trên mỗi nucleon trong Vòng tăng tốc của HIAF. Chùm hạt này va vào bia graphite, tạo ra các phản ứng phân mảnh projectile và một hỗn hợp gồm nhiều hạt nhân phóng xạ khác nhau.

Thách thức tiếp theo là lọc đúng “tín hiệu” hafni-153 giữa vô số sản phẩm phản ứng phổ biến hơn. Tuyến chùm ion phóng xạ năng lượng cao HIRIBL tách và dẫn các sản phẩm phản ứng tới vòng lưu trữ kiêm phổ kế SRing. Các máy dò thời gian bay giúp phân biệt những hạt nhân có khả năng là ứng viên, còn phép đo khối phổ đẳng thời cung cấp độ chính xác cần thiết để xác định hafni-153. Kết quả cuối cùng là 10 ion ^153Hf được ghi nhận.

Đồng vị này có tiết diện tạo thành ở cấp picobarn, nghĩa là nó xuất hiện với xác suất đặc biệt thấp. Vì vậy, thành công của thí nghiệm không chỉ nằm ở việc tạo ra hafni-153, mà còn ở khả năng tách nó khỏi nền sản phẩm dày đặc và nhận diện từng ion riêng lẻ. Chùm ion sơ cấp cường độ cao, hệ thống phân tách mảnh có độ phân giải cao và kỹ thuật đo khối lượng nhạy với từng ion phải phối hợp chính xác với nhau.

Quan sát độc lập từ Nhật Bản

Gần như cùng thời điểm, các nhà nghiên cứu tại Nhà máy chùm đồng vị phóng xạ (RIBF) của Viện RIKEN, Nhật Bản, cũng độc lập báo cáo đã quan sát được ^153Hf. Hai quan sát độc lập củng cố lẫn nhau và làm giảm mức độ bất định vốn thường đi kèm với những kết quả chỉ dựa trên một số rất ít ion được phát hiện.

Sự xác nhận độc lập đặc biệt có giá trị đối với các hạt nhân được tạo ra với tốc độ cực thấp. Trong trường hợp này, sự nhất quán giữa hai phép quan sát tạo nền tảng vững chắc hơn để các nhà khoa học đưa hafni-153 vào so sánh với các dự đoán của lý thuyết hạt nhân.

Bước thử năng lực đầu tiên của HIAF

Phát hiện hafni-153 là một màn trình diễn năng lực ban đầu, không phải đích đến cuối cùng của HIAF. Kết quả cho thấy hệ thống gia tốc, vận chuyển chùm ion phóng xạ, phân tách mảnh và đo khối lượng chính xác của cơ sở có thể phối hợp để nghiên cứu những hạt nhân vừa hiếm vừa tồn tại trong thời gian rất ngắn.

Khi cường độ chùm tia và hiệu suất thí nghiệm tiếp tục được nâng lên, khả năng khám phá của HIAF dự kiến tăng khoảng hai bậc độ lớn. Điều đó có thể giúp tìm thêm các đồng vị, kiểm tra khắt khe hơn các mô hình khối lượng hạt nhân và đo những tính chất của hạt nhân trong điều kiện mất cân bằng proton–neutron ngày càng cực đoan.

Vì thế, hafni-153 quan trọng trên hai phương diện: đây là một hạt nhân mới và cực kỳ khó tạo ra, xác định; đồng thời, nó là phép thử thực tế cho thấy HIAF đã sẵn sàng khảo sát những vùng còn ít được khám phá trên “bản đồ” hạt nhân.