Khi đề cập đến vật lý hạt nhân, chúng ta thường nghĩ đến
những ứng dụng sử dụng năng lượng toả ra từ các phản ứng hạt nhân hay công thức
E = mc2 nổi tiếng. Tuy nhiên, vật lý hạt nhân còn có rất nhiều ứng
dụng khác trong khoa học công nghệ (ví dụ như nghiên cứu cấu trúc vật liệu,
kiểm tra không hủy mẫu) và đời sống xã hội (ví dụ như xạ trị và chẩn đoán hình
ảnh trong y học, chiếu xạ trong công nghệ bảo quản thực phẩm). Bên cạnh những
ứng dụng, ngành khoa học cơ bản nghiên cứu về hạt nhân nguyên tử từ lâu đã mở
rộng đối tượng nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau. Cho đến ngày
nay, trong lĩnh vực này vẫn còn những đối tượng nghiên cứu quan trọng liên quan
đến hai ngành vật lý hiện đại đang rất được quan tâm như vật lý hạt cơ bản (các
quá trình phân rã, tương tác trong vật lý hạt nhân liên quan đến tương tác
mạnh, yếu và điện từ trong Mô hình Chuẩn) và vật lý thiên văn (sự hình thành
các nguyên tố trong vũ trụ, sao neutron,...).
Trong sự tỏa sáng của các ngôi sao và quá trình hình
thành các nguyên tố trong vũ trụ từ helium đến uranium thường hiện diện các
phản ứng hạt nhân bắt hạt-phát gamma. Đây là một trong những đối tượng nghiên
cứu quan trọng của vật lý hạt nhân trong vật lý thiên văn (nuclear physics in
astrophysics) mà ngày nay đã trở thành một liên ngành thu hút rất nhiều nhân
lực và tài lực trên thế giới với tên gọi vật lý hạt nhân-thiên văn
(nuclear-astrophysics).
Như đã đề cập, đặc điểm phức tạp của các phản ứng bắt
hạt-phát gamma trong các ngôi sao là năng lượng của các hạt bị bắt rất thấp,
trong vùng vài trăm electron volt (1 electron volt là năng lượng chuyển động
của một hạt electron khi được gia tốc trong một điện trường có hiệu điện thế 1
volt, ký hiệu là eV). Đối với thực nghiệm, việc nghiên cứu, mô phỏng quá trình
trong các ngôi sao rất khó vì phản ứng xảy ra rất chậm do xác suất vô cùng bé.
Như đã biết tuổi đời của các ngôi sao là hàng tỷ năm, cho thấy các quá trình
xảy ra bên trong một ngôi sao là vô cùng chậm.
Đối với các nghiên cứu lý thuyết, vấn đề cũng rất phức
tạp. Thang năng lượng của vật lý hạt nhân là từ hàng triệu eV (MeV) cho đến một
vài tỷ eV (GeV) và các mô hình lý thuyết được xây dựng cho vùng này. Chính vì
thế, không chỉ ở Việt Nam mà còn trên thế giới, vấn đề nghiên cứu này thường
được tiếp cận bằng những mô hình lý thuyết cổ điển và đơn giản với mục tiêu
cung cấp số liệu đầu vào tương đối cho vật lý thiên văn. Độ tin cậy của các
tính toán như vậy tất nhiên là có những hạn chế. Điều này trái ngược với những
thành tựu và nỗ lực của các nhà khoa học trong lĩnh vực vật lý hạt nhân trong
việc xây dựng những mô hình lý thuyết, tính toán đáng tin cậy, độ chính xác cao
trong hơn 60 năm qua (tính từ những năm 1960 khi những nghiên cứu đầu tiên về
cấu trúc và phản ứng hạt nhân bắt đầu được xây dựng từ tương tác giữa các hạt
cấu tạo nên hạt nhân- proton và neutron). Ngày nay những mô hình lý thuyết tính
toán trong vật lý hạt nhân thường được mô tả với những thuật ngữ như từ những
nguyên lý ban đầu (ab initio), đạt đến tầm nghệ thuật (state-of-the-art),....
Vì vậy, nghiên cứu các phản ứng bắt hạt-phát gamma tại năng lượng thiên văn hạt
nhân với những cách tiếp cận hiện đại là hướng nghiên cứu quan trọng của nhiều
nhóm vật lý hạt nhân lý thuyết và thực nghiệm trên thế giới.
Số liệu vật lý hạt nhân thiên văn đã được nhiều nhóm
nghiên cứu thu thập từ các nghiên cứu thực nghiệm trong nhiều năm. Các kết quả
được tổng hợp trên cơ sở dữ liệu được quản lý bởi Cơ quan Năng lượng quốc tế
(IAEA) và Trung tâm Dữ liệu Quốc gia NNDC (Hoa Kỳ). Trong cơ sở dữ liệu đó, tập
hợp số liệu đầu tiên về các phản ứng hạt nhân trong thiên văn được thực hiện
bởi nhóm Caltech (năm 1988) [1], sau đó là nghiên cứu các phản ứng tổng hợp hạt
nhân sau Big Bang (năm 2004) [2] và các phản ứng nhiệt hạch trong Mặt Trời (năm
2011) [3], và không thể không nhắc tới các công trình của nhóm NACRE [4, 5].
Tuy nhiên, các số liệu đã thu thập của phản ứng bắt hạt-phát gamma đến nay vẫn
cho thấy còn có sự sai khác đáng kể. Do vậy bên cạnh các nghiên cứu thực
nghiệm, các nghiên cứu lý thuyết với nhiều mô hình khác nhau đã được sử dụng để
tính toán tiết diện các phản ứng tại năng lượng thấp [6, 7].
Tại Việt Nam, trong bài viết của PGS.TS. Phạm Đức Khuê về
triển vọng nghiên cứu thiên văn hạt nhân sử dụng máy gia tốc Pelletron 5SDH-2
tại Trường KHTN - ĐHQG Hà Nội đã cho thấy tầm quan trọng và sự ảnh hưởng không
nhỏ của việc đo tiết diện các phản ứng thiên văn hạt nhân [8]. Ngoài ra, nhóm
PGS.TS. Nguyễn Quang Hưng ở Đại học Duy Tân, Đà Nẵng nghiên cứu cả lý thuyết và
thực nghiệm (sử dụng số liệu từ lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu tại Tp. Đà Lạt,
tỉnh Lâm Đồng) các vấn đề quan trọng trong các nghiên cứu về cấu trúc hạt nhân,
phản ứng hạt nhân nhắm đến mục tiêu là các quá trình liên quan tới vật lý hạt
nhân thiên văn [9]. Tuy nhiên, các công bố quốc tế về nghiên cứu vật lý hạt
nhân nói chung và thiên văn hạt nhân nói riêng tại Việt Nam rất hạn chế trong
rất nhiều năm qua. Trong nước hiện nay chỉ có nhóm nghiên cứu của GS.TS. Đào
Tiến Khoa tại Viện Khoa học và Kỹ Thuật Hạt nhân, Viện Năng lượng Nguyên tử
Việt Nam có những công bố quốc tế uy tín về phản ứng hạt nhân.
Cuối cùng đề tài nghiên cứu có thể ứng dụng trong dạy và
học môn vật lý nói chung và vật lý hạt nhân nói riêng cho chương trình đại học
và sau đại học tại Việt Nam. Thực tế rất dễ nhận thấy vật lý hạt nhân tại các
trường đại học ở Việt Nam trong 30 năm qua chỉ dừng lại với những kỹ thuật ghi
nhận và đo đạc bức xạ hạt nhân. Các chuyên gia, các công bố quốc tế uy tín
trong lĩnh vực vật lý hạt nhân của các trường đại học gần như không đáng kể.
Lưu ý rằng nhóm của GS. Đào Tiến Khoa gần như tách biệt khỏi việc đào tạo,
nghiên cứu của các trường đại học. Rất ít sinh viên, nghiên cứu viên có điều
kiện tiếp xúc với nhóm nghiên cứu của GS. Khoa hoặc PGS. Hưng tại Đại học Duy
Tân (nơi không có ngành vật lý). Phần lớn giáo trình vật lý hạt nhân hiện nay
vẫn được dịch từ sách về vật lý hạt nhân của những năm 1950. Đây là vấn đề rất
cần thiết và cấp bách cho một ngành nghiên cứu có nhiều ứng dụng trong đời sống
nhưng đồng thời cũng là một ngành khoa học cơ bản rất sôi nổi trên thế giới. Thật
sai lầm khi một cử nhân (hoặc hơn thế) chuyên ngành vật lý hạt nhân bị biến
thành một kỹ thuật viên ghi đo bức xạ. Nhưng đó là thực tế đào tạo khó chối cãi
ở các trường đại học có đào tạo vật lý hạt nhân ở Việt Nam hiện nay. Một giải
pháp khả thi là phát triển những nhóm nghiên cứu có khả năng hợp tác với các
nhóm nghiên cứu nước ngoài bên trong các trường đại học. Đề tài nghiên cứu đang
đề cập là một ví dụ cụ thể.
Nguyễn Lê Anh và Bùi Minh Lộc thực hiện
Tài liệu tham khảo
[1] G.R. Caughlan and W.A. Fowler (1988), “Thermonuclear reaction rates V”,
Atomic Data and Nuclear Data Tables 40(2), pp. 283–334.
[2] P. Descouvemont, A. Adahchoura, C. Angulo, A. Coc, and E. Vangioni-Flamd
(2004), “Compilation and R-matrix analysis of Big Bang nuclear reaction rates”,
Atomic Data and Nuclear Data Tables 88(1), pp. 203–236.
[3] E.G. Adelberger et al. (2011), “Solar fusion cross sections. II. The pp
chain and CNO cycles”, Reviews of Modern Physics 83, 195.
[4] C. Angulo et al. (1999), “A compilation of charged-particle induced
thermonuclear reaction rates”, Nuclear Physics A 656(1), pp. 3-183.
[5] Y. Xu et al. (2013), “NACRE II: an update of the NACRE compilation of
charged-particle-induced thermonuclear reaction rates for nuclei with mass number
A < 16”, Nuclear Physics A 918, pp. 61-169.
[6] J.T. Huang, C.A. Bertulani, V. Guimares (2010), “Radiative capture of
nucleons at astrophysical energies with single-particle states”, Atomic Data
and Nuclear Data Tables 96(6), pp. 824–847.
[7] S. Dubovichenko and A. Dzhazairov-Kakhramanov (2012), “Examination of
the astrophysical S-factors of the radiative proton capture on 2H, 6Li,
7Li, 12C and 13C”, International Journal of
Modern Physics E 21(03), 1250039.
[8] Phạm Đức Khuê (2020), “Triển vọng nghiên cứu vật lý hạt nhân và vật lý
thiên văn hạt nhân sử dụng máy gia tốc PELLETRON 5SDH-2”, Tạp chí Khoa học và
Công nghệ hạt nhân 63, tr. 1-7.
[9] Nguyễn Quang Hưng, Lê Tấn Phúc và Nguyễn Ngọc Anh (2020), “Nghiên cứu lý
thuyết và thực nghiệm mật độ mức và hàm lực bức xạ của hạt nhân nguyên tử tại
Việt Nam”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ hạt nhân 63, tr. 9-15.
[10] Nguyen Le Anh, Phan Nhut Huan, and Nguyen Hoang Phuc
(2021), “Nuclear mean-field description of proton elastic scattering by 12,13C
at low energies”, Communications in Physics 31(1), pp. 45-56.
[11] Nguyen Le Anh, Nguyen Hoang Phuc, Dao T. Khoa, Le Hoang
Chien, and Nguyen Tri Toan Phuc (2021), “Folding model approach to the elastic
p+12,13C scattering at low energies and radiative capture 12,13C(p,γ)
reactions”, Nuclear Physics A 1006, 122078.
[12] Nguyen Le Anh and Bui Minh Loc (2021),
“Bound-to-continuum potential model for the (p,γ) reactions of the CNO
nucleosynthesis cycle”, Physical Review C 103(3), 035812.