Máy gia tốc hạt lớn biến chì thành vàng: Giấc mơ giả kim thuật trở thành hiện thực

Sự thúc đẩy của Công nghệ tiên tiến trong quá trình tiến hóa tiếp theo của loài người

Phát minh vật liệu bền nhất từ công nghệ Nano DNA và thủy tinh

Trung quốc phát minh tiêu chuẩn tần số kép trong đồng hồ nguyên tử

Giấc mơ của các nhà giả kim thuật thời trung cổ đã trở thành hiện thực theo cách mà họ không thể tưởng tượng. Các nhà khoa học tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) vừa công bố một thành tựu đột phá: đo lường trực tiếp quá trình biến đổi nguyên tử chì thành vàng trong các va chạm hạt năng lượng cao tại Máy gia tốc Hạt lớn (LHC).

Thí nghiệm tận dụng khả năng của LHC để tăng tốc hạt nhân chì lên gần tới tốc độ ánh sáng. Ảnh: CERN

Giải mã truyền thuyết giả kim

Trong suốt nhiều thế kỷ, giấc mơ biến đổi kim loại thông thường thành vàng đã ám ảnh tâm trí con người. Các nhà giả kim thuật cổ đại miệt mài tìm kiếm "chrysopoeia", quá trình chuyển hóa vàng từ các kim loại khác. Tuy nhiên, khoa học hiện đại đã chứng minh điều mà các nhà giả kim thuật không biết: chì và vàng là hai nguyên tố hóa học riêng biệt, và các phương pháp hóa học không thể biến đổi chúng.

"Biến kim loại cơ bản chì thành kim loại quý vàng từng là giấc mơ của các nhà giả kim thuật thời trung cổ," nhóm nghiên cứu tại CERN cho biết. "Mãi sau này người ta mới hiểu rằng chì và vàng là những nguyên tố hóa học khác nhau và các phương pháp hóa học hoàn toàn bất lực trong việc biến đổi chúng."

Điều mà các phương pháp hóa học không làm được, vật lý hạt nhân hiện đại đã thực hiện thành công dù ở quy mô cực nhỏ và trong thời gian cực ngắn.

Phương pháp nghiên cứu đột phá

Thành tựu này đạt được nhờ phương pháp tiếp cận đổi mới của nhóm hợp tác ALICE. Họ tập trung nghiên cứu các va chạm "suýt chạm" giữa các hạt nhân chì di chuyển gần bằng tốc độ ánh sáng trong máy gia tốc hạt lớn (LHC) lớn nhất thế giới.

Trong những khoảnh khắc va chạm, các trường điện từ cực kỳ mạnh được tạo ra, giải phóng hàng loạt photon ảo. Những photon này tương tác với các hạt nhân chì, khiến chúng mất đi proton. Điểm then chốt nằm ở đây: khi một hạt nhân chì với 82 proton mất đi 3 proton, nó biến đổi thành một hạt nhân vàng với 79 proton.

Để xác định sự tồn tại của các hạt nhân vàng mới hình thành, các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy đo nhiệt lượng độ không ALICE (ALICE ZDCs), một thiết bị tiên tiến có thể phát hiện và phân tích dấu hiệu của các quá trình biến đổi hạt.

"Nhờ khả năng độc đáo của ALICE ZDCs, phân tích hiện tại là nghiên cứu đầu tiên phát hiện và phân tích có hệ thống dấu hiệu sản xuất vàng tại LHC theo phương pháp thực nghiệm," Uliana Dmitrieva từ nhóm hợp tác ALICE giải thích.

Thách thức trong phát hiện kỳ diệu

Phát hiện này càng ấn tượng hơn khi hiểu được độ phức tạp của thí nghiệm. Thiết bị phát hiện phải đủ nhạy để phân biệt giữa các va chạm trực diện tạo ra hàng nghìn hạt với các va chạm chỉ tạo ra vài hạt, điều này thực sự thách thức khả năng kỹ thuật hiện đại.

"Thật ấn tượng khi thấy các máy dò của chúng tôi xử lý được các va chạm trực diện tạo ra hàng nghìn hạt, đồng thời cũng nhạy với các va chạm chỉ tạo ra vài hạt mỗi lần, cho phép nghiên cứu các quá trình 'biến đổi hạt nhân' điện từ hiếm gặp," Tiến sĩ Marco Van Leeuwen, người phát ngôn của ALICE nhấn mạnh.

Vàng từ LHC: Thực tế về con số

Phân tích của nhóm nghiên cứu cho thấy LHC hiện tại sản xuất vàng với tốc độ đỉnh điểm khoảng 89.000 hạt nhân mỗi giây trong các va chạm chì-chì tại điểm tương tác ALICE. Con số này thoạt nghe rất ấn tượng, nhưng thực tế lại khá khiêm tốn khi quy đổi ra khối lượng.

Trong toàn bộ Giai đoạn 2 hoạt động của LHC (2015-2018), khoảng 86 tỷ hạt nhân vàng đã được tạo ra tại bốn thí nghiệm chính. Tuy nhiên, về khối lượng, tổng số vàng này chỉ tương đương với 29 picogam (2,9 × 10^-11 g), một lượng vô cùng nhỏ, thậm chí không thể nhìn thấy bằng mắt thường.

Thêm vào đó, "vàng" được tạo ra trong quá trình này rất ngắn ngủi. Các hạt nhân vàng năng lượng cao chỉ tồn tại trong một phần rất nhỏ của giây trước khi va chạm với cơ sở hạ tầng của LHC và phân rã.

Ý nghĩa vượt ra ngoài giấc mơ giả kim

Mặc dù việc tạo ra vàng từ chì trong LHC là một thành tựu đáng kinh ngạc, nghiên cứu này còn mang nhiều ý nghĩa sâu sắc hơn cho khoa học hiện đại. Nó không chỉ là sự hoàn thiện mang tính biểu tượng của giấc mơ giả kim thuật cổ đại, mà còn cung cấp những hiểu biết quý giá về các quá trình vật lý cơ bản.

"Kết quả cũng kiểm tra và cải thiện các mô hình lý thuyết về phân rã điện từ, ngoài giá trị vật lý nội tại của chúng, được sử dụng để hiểu và dự đoán sự mất mát chùm tia, giới hạn chính đối với hiệu suất của LHC và các máy va chạm trong tương lai," John Jowett từ nhóm hợp tác ALICE cho biết.

Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về trạng thái plasma quark-gluon, một trạng thái vật chất cực kỳ nóng và đặc được cho là đã tồn tại trong vũ trụ sơ khai, khoảng một phần triệu giây sau Vụ nổ lớn. Bằng cách tái tạo và nghiên cứu trạng thái vật chất này, các nhà khoa học mở ra cánh cửa để hiểu sâu hơn về nguồn gốc của vật chất trong vũ trụ mà chúng ta biết ngày nay.

Tương lai của "giả kim thuật hiện đại"

Dù máy gia tốc hạt lớn hiện tại không thể thay thế các mỏ vàng, thí nghiệm này đặt nền móng cho hiểu biết sâu hơn về biến đổi hạt nhân và có thể dẫn đến các ứng dụng mới trong tương lai. Khả năng chuyển đổi giữa các nguyên tố trong điều kiện kiểm soát mở ra triển vọng cho các lĩnh vực như y học hạt nhân, công nghệ năng lượng và khoa học vật liệu.

Một điểm đáng chú ý là các nhà khoa học đã thực hiện được điều mà các nhà giả kim thuật chỉ mơ ước, nhưng với sự hiểu biết sâu sắc và chính xác về cơ chế vật lý. Đây không còn là "phép thuật" hay "giả kim", mà là khoa học đỉnh cao, được thực hiện trong phòng thí nghiệm hiện đại nhất thế giới.

Mặc dù lượng vàng được tạo ra từ thí nghiệm này vô cùng nhỏ bé và không tồn tại lâu, thành tựu này vẫn đánh dấu một bước tiến quan trọng trong khoa học hiện đại. Nó không chỉ khép lại giấc mơ của các nhà giả kim thuật cổ đại, mà còn mở ra những khả năng mới cho vật lý hạt nhân. Thông qua máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới, ranh giới giữa các nguyên tố hóa học không còn là rào cản không thể vượt qua, một minh chứng cho sức mạnh của khoa học hiện đại trong việc biến những điều tưởng chừng không thể thành hiện thực.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng