Hệ thống nghiên cứu hạt nhân thế hệ mới hoàn tất thử nghiệm

Hệ thống nghiên cứu hạt nhân thế hệ mới GRETA đã hoàn tất các phép đo vận hành ban đầu và đánh giá hiệu năng tại Cơ sở Chùm tia Đồng vị Hiếm (FRIB) thuộc Đại học bang Michigan (MSU), mở ra những cơ hội mới cho nghiên cứu vật lý hạt nhân.

Thiết bị có tên GRETA, viết tắt của Gamma-Ray Energy Tracking Array (Mảng theo dõi năng lượng tia gamma), đã đạt toàn bộ các chỉ tiêu hiệu năng đề ra trong những cuộc thử nghiệm chùm tia ban đầu, chính thức bước vào giai đoạn vận hành.

Theo dõi năng lượng, giải mã cấu trúc hạt nhân

Mục tiêu cốt lõi của GRETA là mô tả cấu trúc hạ nguyên tử với độ chính xác chưa từng có. Khi các hạt nhân nguyên tử va chạm hoặc phân rã, chúng giải phóng tia gamma — các photon năng lượng cao. Bằng cách ghi nhận chính xác những tia gamma này, các nhà nghiên cứu có thể trực tiếp quan sát những lực tương tác cơ bản liên kết bên trong hạt nhân nguyên tử.

Các máy quang phổ tia gamma truyền thống hỉ có thể đo tổng năng lượng mà photon truyền vào một khối máy dò đơn lẻ. GRETA áp dụng một phương pháp hoàn toàn khác:

• Thiết kế điện cực phân đoạn: Sử dụng các tinh thể bán dẫn germanium độ tinh khiết cao (HPGe), được trang bị các điểm tiếp xúc điện cực phân đoạn với mật độ cao.
• Thu nhận tín hiệu theo thời gian thực: Khi photon năng lượng cao tương tác với tinh thể, phần cứng thu nhận dữ liệu kỹ thuật số chuyên dụng sẽ lập tức ghi lại các xung điện phát sinh.
• Xác định vị trí tương tác trong không gian ba chiều: Từ dữ liệu thu được, hệ thống tính toán chính xác tọa độ ba chiều của từng điểm tương tác trong tinh thể, qua đó tái dựng đường đi tán xạ của photon.

Khả năng theo dõi năng lượng giúp GRETA thu nhận chính xác các tín hiệu yếu trong môi trường có nhiễu điện tử nền rất cao. Đây là yêu cầu kỹ thuật then chốt để nghiên cứu những đồng vị hiếm có độ ổn định cực thấp và có thời gian tồn tại cực ngắn.

Hợp tác giữa nhiều phòng thí nghiệm

Việc chế tạo hệ thống máy dò quy mô lớn này đòi hỏi sự phối hợp của các nhóm nghiên cứu đến từ nhiều phòng thí nghiệm quốc gia trên khắp nước Mỹ. Đội ngũ kỹ sư của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (LBNL) lắp ráp các mô-đun máy dò cốt lõi và tiến hành thử nghiệm ban đầu. Trong khi đó, các đối tác thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne (ANL) và Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) xây dựng các hệ thống phụ trợ cùng phần mềm xử lý tín hiệu tiên tiến.

Trong quá trình chạy thử, nhóm nghiên cứu đã tích hợp thành công GRETA vào đường dẫn chùm tia của hệ thống tái gia tốc (ReA) tại FRIB, hoàn tất hiệu chuẩn toàn bộ hệ thống và tiến hành kiểm chứng bằng cách bắn các chùm hạt nhân nhẹ vào bia cố định.

Các hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích được tạo ra sau va chạm đã trải qua nhiều giai đoạn phân rã gamma. Kết quả đo thực tế cho thấy khả năng đồng bộ thời gian và độ phân giải năng lượng của GRETA hoàn toàn phù hợp với dự đoán từ các mô phỏng máy tính.

Ba hướng nghiên cứu trọng tâm

Sau khi hoàn tất quá trình đánh giá, GRETA chính thức trở thành thiết bị chủ lực tại FRIB, mở cửa cho các học giả trên toàn thế giới đăng ký sử dụng. Các nhà nghiên cứu sẽ dùng hệ thống này để nghiên cứu những đồng vị có thời gian sống cực ngắn, chỉ tồn tại trong khoảng vài phần nghìn hoặc vài phần triệu giây, tập trung vào ba lĩnh vực chính:

• Xác định giới hạn ổn định của hạt nhân: Xác định các “đường nhỏ giọt” hạt nhân (drip lines), qua đó tìm hiểu một hạt nhân có thể chứa tối đa bao nhiêu proton và neutron trước khi phân rã.
• Làm sáng tỏ nguồn gốc các nguyên tố trong vũ trụ: Theo dõi những quá trình phân rã tương tự các phản ứng bên trong các ngôi sao, mô phỏng và giải thích cách các nguyên tố nặng hơn sắt được hình thành trong các vụ nổ siêu tân tinh và những vụ va chạm sao neutron.
• Kiểm nghiệm các định luật vật lý cơ bản: Ghi nhận với độ chính xác cao những thay đổi rất nhỏ trong quá trình phân rã hạ nguyên tử, qua đó kiểm tra tính đối xứng và những giới hạn của Mô hình Chuẩn.

Ông Paul Fallon, Trưởng bộ phận Khoa học Hạt nhân của Phòng thí nghiệm Berkeley kiêm Giám đốc dự án GRETA, cho biết: “Bằng cách khai thác độ nhạy đặc biệt của GRETA đối với những chuyển mức tia gamma cực kỳ yếu, chúng tôi đã nâng hiệu năng của thiết bị lên cao hơn đáng kể so với các hệ thống máy dò thế hệ trước.”

Dữ liệu thực nghiệm có độ chính xác cao do GRETA thu thập không chỉ giúp cải thiện các mô hình lý thuyết hiện có về hạt nhân nguyên tử, mà còn đặt nền tảng khoa học cho các nghiên cứu lâu dài trong những lĩnh vực như vật lý hạt nhân, vật lý thiên văn, ứng dụng năng lượng, y học hạt nhân và an ninh, quốc phòng.