Nghiên cứu cấu trúc hạt nhân trên máy gia tốc: Cách tiếp cận của Việt Nam

Trong lĩnh vực nghiên cứu về cấu trúc hạt nhân trên máy gia tốc nói riêng và vật lý hạt nhân nói chung, Việt Nam vẫn còn giữ khoảng cách so với nhiều quốc gia trên thế giới. Vì vậy, để có thể hội nhập và tiếp cận với trình độ nghiên cứu khoa học hiện đại, một trong những cách làm hiệu quả nhất mà Việt Nam có thể thực hiện là cử các nhà nghiên cứu tham gia những dự án khoa học lớn của khu vực và thế giới, qua đó nâng cao năng lực nghiên cứu.

TS. Lê Xuân Chung trong thời gian tham gia dự án SEASTAR.

Từ một dự án quốc tế

Kể từ khi hạt nhân nguyên tử được Geiger và Marsden phát hiện năm 1909, nghiên cứu cấu trúc hạt nhân luôn thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Trong khi hiểu biết của chúng ta về lực tương tác mạnh - lực quy định cấu trúc hạt nhân, vẫn còn chưa đầy đủ thì rất may mắn là sự phát triển của công nghệ máy gia tốc và kỹ thuật đo đạc đã đem lại cho chúng ta nhiều cơ hội nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc hạt nhân.

Chúng ta có những cơ hội gì? Đó là việc cho phép tạo ra các hạt nhân có thời gian sống rất ngắn (cỡ ms) với chênh lệch số proton và neutron lớn, thường được gọi tắt là hạt nhân không bền. Kết quả nghiên cứu trên các hạt nhân này cho thấy sự tồn tại của những dạng cấu trúc (như cấu trúc vầng hào quang halo) khác biệt so với kết luận trước đó về hạt nhân có dạng hình cầu chặt. Vấn đề này đặt ra nhiều câu hỏi về nguồn gốc lực tương tác mạnh cũng như thành phần chính của nó. Để tìm được lời giải, các nhà khoa học cần phải đo đạc thêm các số liệu thực nghiệm rồi tiến hành phân tích lý thuyết trên những số liệu đó. Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện thí nghiệm, luôn có những thách thức về mặt khoa học như: làm thế nào để tạo ra và duy trì chùm hạt nhân không bền có cường độ đủ lớn khi tiết diện tạo thành các hạt nhân này và thời gian sống của chúng rất nhỏ, làm sao để có thể chế tạo thiết bị đo đạc đủ nhanh và nhạy nhằm ghi được các sự kiện tương tác của các hạt nhân mình quan tâm… Vì thế, nghiên cứu cấu trúc hạt nhân trên máy gia tốc hiện nay đòi hỏi trình độ khoa học và công nghệ rất cao cũng như sự kết hợp của nhiều ngành ở mức chuyên sâu, từ công nghệ gia tốc hạt, kỹ thuật đo đạc đến kỹ thuật chân không, điện tử, máy tính…

Nghiên cứu cấu trúc vi mô của hạt nhân trên những thiết bị hiện đại như máy gia tốc cần những nguồn đầu tư tài chính lớn và bền vững trong những giai đoạn dài, có thể kéo dài từ bốn đến 10 năm cũng như cần tập hợp được một đội ngũ đủ mạnh, đủ năng lực giải quyết những vấn đề phức tạp. Ví dụ, dự án EXL (Exotic nuclei studied in light-ion induced reactions - Nghiên cứu các hạt nhân lạ từ các phản ứng gây bởi ion nhẹ) tại Viện nghiên cứu ion nặng GSI (Đức) cần khoảng 10 năm kể từ những nghiên cứu tiền khả thi đến các thí nghiệm đầu tiên (dự kiến trong hai năm tới), với đầu tư ước tính từ sáu đến tám triệu USD, hay, một dự án nhỏ hơn, COCOTIER (Short-range correlations and isospin: Nghiên cứu isospin và tương quan trong phạm vi ngắn) của Viện nghiên cứu Các định luật cơ bản của vũ trụ (IRFU), thuộc Viện Năng lượng nguyên tử Pháp, cũng cần đầu tư 400.000 USD trong thời gian bốn năm. Do đó, một trung tâm nghiên cứu riêng lẻ sẽ khó có thể đáp ứng hết các điều kiện cần và đủ này, và trên thực tế, ngay một số trung tâm lớn của nhiều cường quốc về vật lý hạt nhân cũng phải tiến hành mở rộng hợp tác quốc tế trong nghiên cứu và coi đó là xu hướng tất yếu để đạt được thành công. Khi đó, các nước tham gia thực hiện cùng một dự án sẽ cùng nhau chia sẻ tài chính, nhân lực và phát huy thế mạnh KH&CN của mình.

Đây chính là lý do để Viện nghiên cứu Hóa lý RIKEN (Nhật Bản) và Viện IRFU khởi xướng một dự án nghiên cứu lớn về cấu trúc hạt nhân mang tên SEASTAR (Shell evolution and search for two-plus energies At RIBF) với ba giai đoạn thí nghiệm, thực hiện tại RIKEN từ năm 2014 đến 2017 dưới dự dẫn dắt của hai nhà khoa học trẻ, TS. Pieter Doornenbal (RIKEN) và TS. Alexandre Obertelli (IRFU). Đúng như tên gọi của mình, Sự tiến hóa của lớp vỏ và cuộc tìm kiếm năng lượng trạng thái hai-cộng tại RIBF (RIBF - Radioactive ion beam facility: thiết bị gia tốc chùm tia phóng xạ), SEASTAR được thực hiện nhằm đo đạc một cách hệ thống năng lượng trạng thái kích thích đầu tiên của hạt nhân và cung cấp thêm số liệu thực nghiệm, bao gồm rất nhiều số liệu lần đầu tiên được ghi nhận. Điều thuận lợi cho dự án là hai cơ sở này đều sở hữu các thiết bị chính để thực hiện thí nghiệm như hệ máy gia tốc chùm tia phóng xạ, detector đo đạc (DAILI27 - Detector Array for Low Intensity radiation 2) tại RIKEN và thiết bị bia hoạt (MINOS8 - MagIc numbers off stability) do IRFU phát triển.

Dự án được điều hành thông qua ban lãnh đạo do các thành viên bầu ra. Ban lãnh đạo quyết định chương trình làm việc và phân công công việc cho những thành viên dựa vào thế mạnh của từng đơn vị. Cứ hai tuần, ban lãnh đạo thí nghiệm đều tổ chức các buổi họp qua mạng (visio conferences) để các thành viên báo cáo tiến độ và kết quả công việc do nhóm mình đảm nhiệm.

Theo các mối quan hệ quốc tế, SEASTAR đã được mở rộng và thu hút gần 100 nhà khoa học đến từ 17 cơ sở nghiên cứu của các viện và trường trên khắp thế giới. Rất may mắn là ngay từ những ngày đầu của dự án, nhóm nghiên cứu Vật lý hạt nhân gồm PGS. TS Nguyễn Tuấn Khải, TS. Lê Xuân Chung và ThS. Bùi Duy Linh (Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam) đã tham gia vào dự án thông qua chương trình nghị định thư “Nghiên cứu vật lý các hạt nhân không bền trong phòng thí nghiệm liên hợp Việt - Pháp LIA” với kinh phí hỗ trợ từ Bộ KH&CN cùng các đồng nghiệp quốc tế.

Học hỏi qua nghiên cứu

Với những nhà nghiên cứu trẻ còn mỏng về kinh nghiệm và khiêm tốn về năng lực nghiên cứu như chúng tôi thì việc được cùng làm việc với các đồng nghiệp quốc tế và được thực hiện những thí nghiệm trên các thiết bị hiện đại mà Việt Nam chưa có là một may mắn lớn. Chúng tôi tham gia SEASTAR thông qua mối liên hệ hợp tác với các đồng nghiệp tại IRFU. Trong quá trình tham gia dự án, nhóm nghiên cứu đã được các đồng nghiệp tại IRFU, mà trực tiếp là TS. Alexandre Obertelli, hướng dẫn và giúp đỡ rất nhiều. Ban đầu, nhóm nghiên cứu tham gia vào nhóm phân tích số liệu của SEASTAR xây dựng phát triển chương trình máy tính, có trách nhiệm chung cùng thực hiện các chiến dịch thí nghiệm và đảm nhận phân tích số liệu của 67,68Fe. Nhiệm vụ được nhắc đến đầu tiên có ý nghĩa quan trọng trong việc hòa nhập cùng các nhóm nghiên cứu SEASTAR, xây dựng thuật toán theo dõi quỹ đạo của hạt tương tác, xác định điểm tương tác “nhúng” trong chương trình phân tích chính. Đây là chương trình cần phải được hoàn thiện trước thí nghiệm. Nhiệm vụ thứ hai là việc cùng tham gia chuẩn bị, thực hiện thí nghiệm. Còn nhiệm vụ cuối cùng bao gồm những công việc sau thí nghiệm, phân tích các thông tin vật lý từ số liệu đo đạc, đưa ra những giải thích cho các kết quả thu được.

Nhờ vào việc hoàn thành tốt nhiệm vụ, nhóm nghiên cứu của Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân tiếp tục được giao phân tích số liệu của 69,71Fe và 63,65Cr. Bên cạnh việc đóng góp vào kết quả chung của SEASTAR1-6, những số liệu mà nhóm đảm nhiệm phân tích hứa hẹn sẽ cho các sản phẩm khoa học đăng trên các tạp chí quốc tế có uy tín với thông tin mới hoặc bổ sung về các trạng thái kích thích và sơ đồ mức của các hạt Fe và Cr nói trên.

Trên thế giới, một dự án nghiên cứu với kinh phí đầu tư một triệu USD được cho là tốt nếu có từ bốn công trình đăng trên Physical Review Letters - một tạp chí chỉ chấp nhận đăng các công trình có tính đột phá, mở đường trong ngành vật lý. Vì thế dù chưa kết thúc thì một dự án như SEASTAR cũng có thể được coi là thành công. Trong thành công chung ấy, dù kinh phí đầu tư còn khiêm tốn nhưng Việt Nam đã thu được một số thành quả nhất định, không chỉ nằm ở các bài báo quốc tế mà còn là sự nâng cao về năng lực và kinh nghiệm nghiên cứu của một số nhà nghiên cứu trẻ Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân trong lĩnh vực cấu trúc hạt nhân nói riêng và vật lý hạt nhân nói chung. Nếu không tham gia những dự án quốc tế như thế này, có lẽ chúng ta sẽ khó có điều kiện triển khai các nghiên cứu thực nghiệm trong lĩnh vực “nóng” như cấu trúc hạt nhân.

Như nhắc đến ở trên, nghiên cứu cấu trúc hạt nhân trên máy gia tốc đòi hỏi thiết bị hiện đại, công nghệ và kỹ thuật cao, kết hợp nhiều ngành cùng với đầu tư kinh phí lớn, những điều kiện mà Việt Nam còn đang rất thiếu và yếu, vì thế, việc tham gia hợp tác quốc tế là cách làm hiệu quả để Việt Nam có thể hội nhập và tiếp cận với trình độ nghiên cứu khoa học hiện đại, qua đó xây dựng đội ngũ nhân lực có trình độ cao về vật lý hạt nhân. Đây sẽ là những yếu tố quan trọng để về lâu dài, khi có đủ tiềm năng về hệ thống cơ sở vật chất, kinh phí đầu tư cho nghiên cứu và mở rộng đội ngũ, chúng ta có thể nghĩ đến việc thực hiện những công việc nghiên cứu theo hướng này trong nước.

Theo Vista.gov.vn