Khám phá số “ma thuật” có thể viết lại nguồn gốc của vạn vật trong Vũ trụ

Một nhóm nhà vật lý tại Viện Vật lý Hiện đại (IMP), thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS), vừa thực hiện phép đo chính xác đầu tiên về khối lượng của đồng vị silicon-22 – một hạt nhân cực kỳ ngắn ngủi và thiếu neutron. Kết quả, công bố trên tạp chí Physical Review Letters , cho thấy số proton 14 trong silicon-22 hoạt động như một “con số ma thuật” mới trong vật lý hạt nhân.

Các hạt nhân nguyên tử được tạo thành từ proton và neutron. Khi số lượng của chúng đạt đến những giá trị đặc biệt – gọi là “số ma thuật” – hạt nhân sẽ có độ bền bất thường. Những con số ma thuật kinh điển của các đồng vị bền đã được xác định từ lâu, bao gồm 2, 8, 20, 28, 50, 82 và 126. Khái niệm này được Maria Goeppert Mayer và J. Hans D. Jensen giải thích bằng mô hình vỏ hạt nhân vào giữa thế kỷ 20, công trình mang về cho họ giải Nobel Vật lý năm 1963. Tuy nhiên, đối với các đồng vị “ngoại lai” ngắn ngủi, những con số ma thuật mới vẫn đang dần được khám phá. Việc nghiên cứu chúng giúp các nhà khoa học kiểm chứng lực hạt nhân trong điều kiện cực hạn và hiểu rõ hơn cách các nguyên tố trong Vũ trụ hình thành từ buổi sơ khai.

Những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện thêm nhiều số ma thuật liên quan đến neutron, như 14, 16, 32 và 34, trong những hạt nhân xa vùng bền vững. Nhưng bằng chứng rõ ràng về số ma thuật của proton thì vẫn hiếm hoi. Trước đó, các thí nghiệm cho thấy oxy-22 (8 proton, 14 neutron) có tính chất giống hạt nhân “ma thuật” ở neutron số 14. Theo đối xứng gương trong vật lý hạt nhân, các nhà lý thuyết dự đoán rằng proton số 14 cũng sẽ là “ma thuật” trong hạt nhân gương của nó: silicon-22 (14 proton, 8 neutron).

Vấn đề nằm ở chỗ silicon-22 rất khó sản xuất với số lượng đủ lớn và lại phân rã cực nhanh, khiến giả thuyết này chưa từng được xác nhận cho đến nay.

Bằng kỹ thuật quang phổ khối IMS cải tiến tại vòng lưu trữ ion nặng ở Lan Châu, nhóm IMP đã đo được khối lượng trạng thái cơ bản của silicon-22 – lần đầu tiên một hạt nhân ở ranh giới “vách ngăn proton” được xác định khối lượng. Đây là những hạt nhân giàu proton đến mức chỉ cần thêm một proton nữa, chúng sẽ lập tức phân rã.

Ngoài ra, nhóm còn đo lại khối lượng của silicon-23 với độ chính xác cao gấp bảy lần so với trước. Kết quả cho thấy silicon-22 có năng lượng liên kết hai proton dương, nghĩa là nó không tự phát xạ hai proton như một số giả thuyết lâu nay. Điều này đã chấm dứt một tranh cãi kéo dài trong ngành vật lý hạt nhân.

Từ giá trị khối lượng mới, các nhà nghiên cứu tính toán năng lượng ghép cặp proton của silicon-22 và so sánh với năng lượng ghép cặp neutron của oxy-22. Phân tích khẳng định số proton 14 thực sự là một con số ma thuật mới, kết quả cũng phù hợp với mô hình vỏ Gamow – một phiên bản mở rộng của mô hình vỏ hạt nhân truyền thống, chuyên dùng để giải thích các hạt nhân lạ, yếu liên kết và cộng hưởng.

Cả silicon-22 và oxy-22 đều mang đặc tính “kép ma thuật”, nhưng nghiên cứu phát hiện sự khác biệt tinh vi trong cấu trúc bên trong: proton trong silicon-22 phân bố rộng hơn so với neutron trong oxy-22, cho thấy sự phá vỡ nhẹ đối xứng gương.

Phát hiện này không chỉ mở rộng hiểu biết về cấu trúc các hạt nhân ngoại lai mà còn góp phần giải mã “mã nguồn” của lực hạt nhân trong điều kiện khắc nghiệt – nền tảng để lý giải cách vật chất hình thành trong Vũ trụ từ thuở ban sơ.