Tham vọng tạo tia gamma laser từ phản vật chất

24/12/2019, 09:29

TNNN - Thông thường, con người có thể tạo ra tia laser từ các vi sóng có bước sóng dài đến các tia X-quang năng lượng cao. Tuy nhiên, các bước sóng cực ngắn cấu tạo tia gamma lại là ngoại lệ. Nhà vật lý học Allen Mills, Đại học California Riverside, đã xây dựng một mô hình toán học chứng minh khả năng xảy ra điều ngược lại.

Trong thí nghiệm, Mills sử dụng các bong bóng hình cầu rỗng chứa đầy các nguyên tử khí positronium bền trong helium lỏng. Với thời gian tồn tại vô cùng ngắn ngủi, positronium là một nguyên tử giống hydro và là một hỗn hợp của vật chất và phản vật chất (1) – đặc biệt, liên kết các trạng thái của những electron và những phản hạt của nó là positron (2).

Còn Helium là nguyên tố nhiều thứ hai trong vũ trụ, tồn tại ở dạng lỏng chỉ trong điều kiện nhiệt độ cực thấp. Mills giải thích, helium có ái lực âm với positronium; các bong bóng hình thành trong helium lỏng do helium đẩy positronium. Để cặp hạt-phản hạt trong môi trường heli rồi hạ nhiệt độ xuống thấp, nhà vật lý học tin rằng sự va chạm vật chất-phản vật chất có thể sản sinh tia gamma theo thứ tự và tạo thành tia laser.

“Theo tính toán của tôi, một bong bóng trong dung dịch helium lỏng chứa tới một triệu phân tử positronium với mật độ dày đặc gấp 6 lần không khí bình thường và có thể tồn tại như một loại khí ngưng tự vật chất-phản vật chất Bose-Einstein”, nhà vật lý cho biết.

Để tạo ra một chùm tia laser tia gamma, positronium cần hình thành một trạng trái bền mà người ta vẫn gọi là ngưng tụ Bose-Einstein – một sự kết hợp các nguyên tử positronium trong một trạng thái tương tự trạng thái lượng tử, cho phép nhiều tương tác và bức xạ gamma. Như thế một trạng thái ngưng tụ là thành phần chính của laser tia gamma.

Nếu thực tế diễn ra đúng theo những tính toán trên, Mills đã chinh phục được một trong những thử thách hóc búa nhất của vật lý học hiện đại.

Từ “laser” thực chất là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích".

Tia laser được tạo ra bằng cách kích thích các electron từ một vật liệu nhất định nhằm phát ra chính xác các bước sóng tương tự như sóng ánh sáng và dùng năng lượng khiến các bước sóng trở nên giống nhau một cách tuyệt đối. Đây được gọi là sự nhất quán, mà nhờ nó, các bước sóng được giữ thẳng hàng và tập trung thành một tia sáng duy nhất.

Từ những năm 60 của thế kỉ trước, cách này đã được áp dụng với các bước sóng ánh sáng dài. Đến thập niên 70, các kĩ sư đã thành công tạo ra tia laser bằng ánh sáng cực tím có độ dài bước sóng chỉ 110 nanomet. Bước sóng của chất liệu càng ngắn, việc tạo tia laser sẽ càng khó khăn. Bước sóng nhỏ đồng nghĩa với thời gian kích thích electron tạo ánh sáng ngắn hơn, do đó đòi hỏi nhiều năng lượng hơn cho quá trình khuếch đại laser và phân tán quang phổ áng sáng.

Do đó, nghiên cứu chế tạo tia laser từ các bước sóng ngắn hơn đã có dấu hiệu chững lại. Mãi đến giữa thập niên 80, laser tia X mới thành hiện thực. Đến nay, phần lớn các thử nghiệm tạo tia laser gamma đều tập trung vào làm lạnh các phân tử phát sáng đến gần 0 độ. Khi đó, chúng sẽ hấp thụ các dấu hiệu lượng tử và hoạt động tương tự như một siêu hạt.

Điểm sáng trong cách tiếp cận của Mills chính là việc trộn các hạt positronium phát sáng với heli, giúp đẩy các cặp electron-positron lại với nhau để tạo ra một cụm đặc và ổn định, tạo cơ sở hình thành khí ngưng tụ. Bước tiếp theo, nhà vật lý học sẽ thực hiện thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Positron, Đại học California Riverside.

Kết quả gần của các thí nghiệm của các nhà khoa học có thể là quan sát đường hầm positronium thông qua một tấm graphene, không thấm đối với tất cả các nguyên tử vật chất thông thường bao gồm cả helium cũng như sự hình thành chùm tia laser nguyên tử positronium với các ứng dụng điện toán lượng tử.

Laser tia gamma hay còn gọi là graser là một thiết bị mới tồn tại trên lý thuyết và có thể tạo ra những tia gamga dính kết với nhau, vốn hứa hẹn nhiều ứng dụng trong chụp ảnh y tế, động cơ đẩy tàu vũ trụ và điều trị ung thư. Nhà vật lý đoạt giải Nobel 2003 Vitaly Ginzburg đã cho rằng laser tia gamma là một trong 30 vấn đế quan trọng bậc nhất của vật lý hiện đại.

Chú thích:

(1) Phản vật chất là khái niệm trong vật lý, được cấu tạo từ những phản hạt cơ bản như phản electron, phản neutron,... Theo lý thuyết, nếu phản vật chất gặp vật chất thì sẽ nổ tung.

(2) Positron là phản hạt của electron với khối lượng và spin tương tự, nhưng có điện tích trái dấu với electron. Positron là phản hạt đầu tiên được phát hiện trong thế giới các hạt vi mô.

Khi một electron gặp positron, sự hủy diệt lẫn nhau của chúng có thể là một kết quả kèm theo việc tạo ra một loại bức xạ điện từ mạnh mẽ và tràn đầy năng lượng gọi là bức xạ gamma. Một kết quả thứ hai là sự hình thành của positronium.

Phạm Nhật

Nguồn: Khoa học & Phát triển