Vì sao máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới biến chì thành vàng - rồi tự tay phá hủy nó ngay sau đó?

Một giấc mơ từng ám ảnh các nhà giả kim thời Trung Cổ – biến chì thành vàng – vừa chính thức được thực hiện, không phải nhờ đá giả kim, mà nhờ... máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới. Theo công bố mới nhất từ CERN, tổ chức vận hành máy gia tốc Large Hadron Collider (LHC) đặt tại Thụy Sĩ, các nhà khoa học đã tạo ra hơn 86 tỷ hạt nhân vàng trong khoảng thời gian từ 2015 đến 2018 – tất cả đều xuất phát từ việc cho các hạt chì va chạm với nhau ở vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng.

Cụ thể, các hạt chì được gia tốc tới 99.999993% tốc độ ánh sáng, rồi va chạm trực diện trong buồng thí nghiệm ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Kết quả là, trong hàng tỷ va chạm mỗi giây, một số ít tạo ra hạt nhân vàng – chiếm khoảng 89.000 hạt mỗi giây trong giai đoạn chạy thử thứ ba, gấp đôi so với giai đoạn trước nhờ năng lượng được tăng cường.

Tuy nhiên, ngay khi được tạo ra, những hạt nhân vàng này gần như lập tức bị phá hủy khi va vào thành ống dẫn – tồn tại chưa đầy một phần nghìn tỷ giây. Dù vậy, dấu vết ngắn ngủi đó vẫn đủ để các thiết bị siêu nhạy như Zero Degree Calorimeters (ZDCs) của ALICE ghi lại và phân tích. Đây cũng là lần đầu tiên trong lịch sử, quá trình "chuyển hóa hạt nhân" thành vàng được theo dõi một cách hệ thống và định lượng trực tiếp trong môi trường thí nghiệm tại LHC.

Marco van Leeuwen, người phát ngôn của ALICE, cho biết: “Thật ấn tượng khi các thiết bị có thể đồng thời ghi nhận va chạm tạo ra hàng nghìn hạt và cả những va chạm chỉ tạo ra vài hạt – cho phép chúng tôi nghiên cứu các quá trình hiếm như chuyển hóa điện từ giữa các nguyên tử”.

Trong bảng tuần hoàn, chì (Pb) và vàng (Au) nằm khá gần nhau – chì có 82 proton, trong khi vàng có 79. Nghĩa là chỉ cần "bóc" đi 3 proton (cùng một số neutron), nguyên tử chì có thể chuyển thành vàng. Nếu chỉ mất 1 hoặc 2 proton, ta lần lượt có thủy ngân (Hg) và tali (Tl) – cũng đều được tạo ra trong các thí nghiệm này.

Tiến sĩ Uliana Dmitrieva từ nhóm ALICE cho biết: “Nhờ khả năng độc nhất của ZDC, đây là lần đầu tiên chúng tôi đo lường được dấu hiệu của quá trình tạo vàng trong LHC”. Không chỉ mang tính khám phá vật lý, việc hiểu rõ các quá trình này còn giúp các kỹ sư dự đoán và kiểm soát mức độ tiêu hao chùm tia, vốn là yếu tố giới hạn lớn đối với hiệu suất của LHC và các máy gia tốc tương lai.

Dĩ nhiên, số vàng được tạo ra là cực kỳ nhỏ – chỉ khoảng 29 phần nghìn tỷ gram. Nhưng điều khiến cộng đồng khoa học phấn khích không phải là giá trị vật chất, mà là việc con người lần đầu tiên chứng kiến quá trình biến đổi nguyên tử – từng là huyền thoại giả kim – diễn ra thực sự trong phòng thí nghiệm.

Anh Việt