Trong nhiều thế kỷ, các nhà giả kim đã mơ ước biến chì thành vàng — không phải thông qua phép thuật, mà bằng cách mở khóa tiềm năng ẩn giấu bên trong chính các kim loại. Mặc dù phương pháp của họ không bao giờ thành công, nhưng khoa học hiện đại cuối cùng đã thành công.
Các nhà nghiên cứu tại Máy va chạm Hadron lớn (LHC) — máy gia tốc hạt lớn nhất và có năng lượng cao nhất thế giới — đã quan sát thấy sự chuyển hóa chì thành vàng trong đời thực. Nhưng sự chuyển đổi này không đến từ các va chạm trực tiếp, như đã từng quan sát trước đây. Thay vào đó, nó xuất hiện thông qua một cơ chế mới liên quan đến các tương tác gần xảy ra giữa các hạt nhân nguyên tử.
LHC được chế tạo để tăng tốc các hạt lên gần tốc độ ánh sáng. Sự va chạm của các hạt này cho phép các nhà khoa học nghiên cứu các khối xây dựng cơ bản của vật chất và khám phá cách vũ trụ của chúng ta được cấu trúc ở quy mô nhỏ nhất.
Mặc dù thông tin quan trọng đã được thu thập từ các vụ va chạm trực diện như vậy, nhưng hầu hết các cuộc chạm trán bên trong máy gia tốc đều là gián tiếp. Trong những "lần suýt va chạm" này, các hạt di chuyển gần nhau mà không tiếp xúc nhưng lại tạo ra các trường điện từ mạnh đến mức có thể kích hoạt các phản ứng hạt nhân bất ngờ.
"Trường điện từ phát ra từ hạt nhân chì đặc biệt mạnh vì hạt nhân chứa 82 proton, mỗi proton mang một điện tích cơ bản", các viên chức của Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (viết tắt tiếng Pháp là CERN) đã viết trong tuyên bố.
"Hơn nữa, tốc độ cực cao mà các hạt nhân chì di chuyển trong LHC (tương ứng với 99,999993% tốc độ ánh sáng) khiến các đường sức từ bị nén thành một chiếc bánh mỏng, vuông góc với hướng chuyển động, tạo ra một xung photon tồn tại trong thời gian ngắn", họ nói thêm.
Xung này có thể kích hoạt một quá trình được gọi là phân ly điện từ, trong đó một photon tương tác với hạt nhân, gây ra dao động bên trong đẩy ra neutron và photon. Trong trường hợp một nguyên tử chì đi qua, việc mất ba proton trong quá trình này dẫn đến hình thành vàng.
"Thật ấn tượng khi thấy các máy dò của chúng tôi có thể xử lý các va chạm trực diện tạo ra hàng nghìn hạt, đồng thời cũng nhạy cảm với các va chạm mà chỉ có một vài hạt được tạo ra tại một thời điểm, cho phép nghiên cứu các quá trình 'biến đổi hạt nhân' điện từ", Marco Van Leeuwen, người phát ngôn của dự án ALICE (Thí nghiệm Máy va chạm ion lớn) tại LHC, nhóm đứng sau những kết quả mới, cho biết trong cùng một tuyên bố.
Các câu chuyện liên quan:
— 10 bí ẩn vũ trụ mà Máy va chạm Hadron lớn có thể giải mã
— Máy va chạm Hadron lớn: Bên trong máy đập vỡ nguyên tử của CERN
— Các vụ nổ mạnh nhất trong vũ trụ có thể tiết lộ vàng đến từ đâu
Công trình này "là công trình đầu tiên phát hiện và phân tích một cách có hệ thống dấu hiệu sản xuất vàng tại LHC theo phương pháp thực nghiệm", Uliana Dmitrieva của nhóm cộng tác ALICE cho biết thêm.
Nhóm nghiên cứu đã có thể xác định được sự mất proton không chỉ liên quan đến quá trình hình thành vàng mà còn liên quan đến quá trình sản xuất các nguyên tử chì, tali và thủy ngân. Phân tích này được thực hiện nhờ một thiết bị gọi là nhiệt lượng kế không độ (ZDC), thiết bị này phát hiện và đếm các tương tác photon-hạt nhân bằng cách đo lượng phát xạ thu được.
Nhóm nghiên cứu báo cáo rằng LHC có thể sản xuất tới 89.000 hạt nhân vàng mỗi giây từ các va chạm chì-chì. "Phân tích ALICE cho thấy, trong lần chạy thứ 2 của LHC (2015-2018), khoảng 86 tỷ hạt nhân vàng đã được tạo ra tại bốn thí nghiệm chính", các viên chức CERN viết trong tuyên bố.
Tuy nhiên, bất kỳ nhà giả kim thuật hiện đại nào hy vọng kiếm được tiền có thể sẽ thất vọng. Con số này chỉ tương ứng với 29 picogram (2,9 ×10-11 gam) vật chất và các nguyên tử vàng này có tuổi thọ cực ngắn. Chúng có năng lượng rất lớn đến nỗi chúng ngay lập tức đập vào các bộ phận của LHC, như ống chùm tia hoặc bộ chỉnh chuẩn, gần như ngay lập tức vỡ ra thành proton, neutron và các hạt khác. Kết quả là, vàng chỉ tồn tại trong một phần nhỏ của giây.
"Các kết quả […] thử nghiệm và cải thiện các mô hình lý thuyết về sự phân ly điện từ, ngoài mục đích vật lý vốn có, được sử dụng để hiểu và dự đoán tổn thất chùm tia, đây là giới hạn lớn đối với hiệu suất của LHC và các máy va chạm trong tương lai", John Jowett, cũng là thành viên của nhóm hợp tác ALICE, kết luận.
Các nhà nghiên cứu tại Máy va chạm Hadron lớn (LHC) — máy gia tốc hạt lớn nhất và có năng lượng cao nhất thế giới — đã quan sát thấy sự chuyển hóa chì thành vàng trong đời thực. Nhưng sự chuyển đổi này không đến từ các va chạm trực tiếp, như đã từng quan sát trước đây. Thay vào đó, nó xuất hiện thông qua một cơ chế mới liên quan đến các tương tác gần xảy ra giữa các hạt nhân nguyên tử.
LHC được chế tạo để tăng tốc các hạt lên gần tốc độ ánh sáng. Sự va chạm của các hạt này cho phép các nhà khoa học nghiên cứu các khối xây dựng cơ bản của vật chất và khám phá cách vũ trụ của chúng ta được cấu trúc ở quy mô nhỏ nhất.
Mặc dù thông tin quan trọng đã được thu thập từ các vụ va chạm trực diện như vậy, nhưng hầu hết các cuộc chạm trán bên trong máy gia tốc đều là gián tiếp. Trong những "lần suýt va chạm" này, các hạt di chuyển gần nhau mà không tiếp xúc nhưng lại tạo ra các trường điện từ mạnh đến mức có thể kích hoạt các phản ứng hạt nhân bất ngờ.
"Trường điện từ phát ra từ hạt nhân chì đặc biệt mạnh vì hạt nhân chứa 82 proton, mỗi proton mang một điện tích cơ bản", các viên chức của Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (viết tắt tiếng Pháp là CERN) đã viết trong tuyên bố.
"Hơn nữa, tốc độ cực cao mà các hạt nhân chì di chuyển trong LHC (tương ứng với 99,999993% tốc độ ánh sáng) khiến các đường sức từ bị nén thành một chiếc bánh mỏng, vuông góc với hướng chuyển động, tạo ra một xung photon tồn tại trong thời gian ngắn", họ nói thêm.
Xung này có thể kích hoạt một quá trình được gọi là phân ly điện từ, trong đó một photon tương tác với hạt nhân, gây ra dao động bên trong đẩy ra neutron và photon. Trong trường hợp một nguyên tử chì đi qua, việc mất ba proton trong quá trình này dẫn đến hình thành vàng.
"Thật ấn tượng khi thấy các máy dò của chúng tôi có thể xử lý các va chạm trực diện tạo ra hàng nghìn hạt, đồng thời cũng nhạy cảm với các va chạm mà chỉ có một vài hạt được tạo ra tại một thời điểm, cho phép nghiên cứu các quá trình 'biến đổi hạt nhân' điện từ", Marco Van Leeuwen, người phát ngôn của dự án ALICE (Thí nghiệm Máy va chạm ion lớn) tại LHC, nhóm đứng sau những kết quả mới, cho biết trong cùng một tuyên bố.
Các câu chuyện liên quan:
— 10 bí ẩn vũ trụ mà Máy va chạm Hadron lớn có thể giải mã
— Máy va chạm Hadron lớn: Bên trong máy đập vỡ nguyên tử của CERN
— Các vụ nổ mạnh nhất trong vũ trụ có thể tiết lộ vàng đến từ đâu
Công trình này "là công trình đầu tiên phát hiện và phân tích một cách có hệ thống dấu hiệu sản xuất vàng tại LHC theo phương pháp thực nghiệm", Uliana Dmitrieva của nhóm cộng tác ALICE cho biết thêm.
Nhóm nghiên cứu đã có thể xác định được sự mất proton không chỉ liên quan đến quá trình hình thành vàng mà còn liên quan đến quá trình sản xuất các nguyên tử chì, tali và thủy ngân. Phân tích này được thực hiện nhờ một thiết bị gọi là nhiệt lượng kế không độ (ZDC), thiết bị này phát hiện và đếm các tương tác photon-hạt nhân bằng cách đo lượng phát xạ thu được.
Nhóm nghiên cứu báo cáo rằng LHC có thể sản xuất tới 89.000 hạt nhân vàng mỗi giây từ các va chạm chì-chì. "Phân tích ALICE cho thấy, trong lần chạy thứ 2 của LHC (2015-2018), khoảng 86 tỷ hạt nhân vàng đã được tạo ra tại bốn thí nghiệm chính", các viên chức CERN viết trong tuyên bố.
Tuy nhiên, bất kỳ nhà giả kim thuật hiện đại nào hy vọng kiếm được tiền có thể sẽ thất vọng. Con số này chỉ tương ứng với 29 picogram (2,9 ×10-11 gam) vật chất và các nguyên tử vàng này có tuổi thọ cực ngắn. Chúng có năng lượng rất lớn đến nỗi chúng ngay lập tức đập vào các bộ phận của LHC, như ống chùm tia hoặc bộ chỉnh chuẩn, gần như ngay lập tức vỡ ra thành proton, neutron và các hạt khác. Kết quả là, vàng chỉ tồn tại trong một phần nhỏ của giây.
"Các kết quả […] thử nghiệm và cải thiện các mô hình lý thuyết về sự phân ly điện từ, ngoài mục đích vật lý vốn có, được sử dụng để hiểu và dự đoán tổn thất chùm tia, đây là giới hạn lớn đối với hiệu suất của LHC và các máy va chạm trong tương lai", John Jowett, cũng là thành viên của nhóm hợp tác ALICE, kết luận.