Đóng góp mới của các nhà khoa học Việt Nam
Mật độ mức (MĐM) và hàm lực bức xạ (HLBX) tia gamma là hai đại lượng đặc trưng cơ bản và quan trọng trong không chỉ đối với nghiên cứu về cấu trúc hạt nhân, phản ứng hạt nhân năng lượng thấp mà còn đối với vật lý hạt nhân thiên văn như tốc độ của các phản ứng hạt nhân xảy ra trong sao hay quá trình tổng hợp các nguyên tố trong vũ trụ. Do vậy, nghiên cứu MĐM và HLBX là một trong những chủ đề nghiên cứu quan trọng trong ngành vật lý nói chung và vật lý hạt nhân nói riêng.
Thực tế, khái niệm về MĐM đã được đưa ra từ năm 1936 bởi Hans Bethe (giải Nobel vật lý năm 1967), trong khi đó khái niệm về HLBX cũng đã được đề xuất bởi John Blatt và Victor Weisskopf từ năm 1952. Do sự thiếu hụt về số liệu thực nghiệm nên đa số các mô hình lý thuyết được đề xuất trong khoảng thời gian đó (trước năm 2000) chỉ là các mô hình hiện tượng luận hoặc các mô hình bán vi mô với các tham số được làm khớp với rất ít số liệu thực nghiệm tại vùng năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng liên kết của nơtron (khoảng 8 MeV). Do vậy, khi áp dụng cho các hạt nhân mà thực nghiệm hoàn toàn chưa đo được, độ tin cậy của các mô hình này là thấp.
Từ năm 2000 trở lại đây, nhờ những tiến bộ vượt bậc trong kỹ thuật thực nghiệm, nhóm nghiên cứu vật lý hạt nhân thuộc Trung tâm máy gia tốc vòng (Cyclotron Center), Đại học Oslo (Na Uy) phối hợp với Phòng thí nghiệm gia tốc Edwards, Đại học Ohio (Mỹ) đã lần đầu tiên đề xuất một phương pháp (gọi là phương pháp Oslo) cho phép trích xuất cùng một lúc MĐM và HLBX từ phổ phân rã tia gamma của các hạt nhân hợp phần trong cùng một thí nghiệm. Từ đó tới nay chủ đề nghiên cứu về MĐM và HLBX lại trở nên rất sôi động trong cộng đồng các nhà vật lý hạt nhân lý thuyết và thực nghiệm. Điển hình là từ năm 2007 tới nay, đã có 7 hội nghị quốc tế lớn về chủ đề MĐM và HLBX được tổ chức (2 năm một lần) bởi Đại học Oslo (hội nghị lần thứ 7 được tổ chức tại Oslo từ 27-31/5/2019). Một số phương pháp lý thuyết vi mô hơn đã được đề xuất để mô tả các số liệu thực nghiệm của nhóm Oslo, tuy nhiên vẫn chưa có một mô hình lý thuyết vi mô nào có thể mô tả được đồng thời cả MĐM và HLBX.
Năm 2017, trong công trình “Simultaneous microscopic description of nuclear level density and radiative strength function” công bố trên Tạp chí Physical Review Letters, PGS.TS Nguyễn Quang Hưng cùng các cộng sự đã đề xuất một cách tiếp cận vi mô cho phép mô tả đồng thời cả MĐM và HLBX với độ chính xác cao. Mô hình này được xây dựng dựa trên lời giải chính xác bài toán kết cặp (Exact Pairing) kết hợp với mẫu đơn hạt độc lập (Independent Particle Model) tại nhiệt độ hữu hạn để mô tả MĐM. Lời giải của EP+IPM được sử dụng làm đầu vào cho tính toán HLBX dựa trên mô hình suy giảm phonon (Phonon Damping Model) do tác giả N. Dinh Dang and A. Arima đề xuất từ năm 1998 . Kết quả thu được từ mô hình của PGS.TS Nguyễn Quang Hưng và các cộng sự khá phù hợp với số liệu thực nghiệm của nhóm Oslo cho các hạt nhân ytterbium (Yb) với số khối (tức tổng số hạt neutron và proton tạo nên hạt nhân) lần lượt là 170, 171, và 172. Sự phù hợp giữa kết quả lý thuyết và thực nghiệm này đã chỉ ra rằng, lời giải chính xác bài toán kết cặp tại nhiệt độ khác không có vai trò quan trọng trong việc mô tả MĐM hạt nhân tại vùng năng lượng kích thích thấp và trung bình. Ngoài ra, các kết quả thu được cũng đặt câu hỏi cho tính đúng đắn của giả thuyết của Brink-Axel trong việc mô tả HLBX của hạt nhân nguyên tử.
Đặc biệt, ưu điểm nổi bật của mô hình trên là thời gian tính toán rất nhanh, chỉ mất khoảng 5 phút để tính được MĐM và HLBX của một hạt nhân trên máy tính cá nhân bình thường. Trong khi đó một số tính toán lý thuyết vi mô khác như tính toán Monte-Carlo theo mẫu lớp của nhóm lý thuyết hạt nhân tại Đại học Yale (Mỹ) phải mất vài ngày trên hệ thống siêu máy tính.
Phát triển nhóm nghiên cứu mạnh về vật lý hạt nhân tại Việt Nam
Không chỉ có giá trị đóng góp đối với cộng đồng khoa học quốc tế, công trình nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Quang Hưng và các đồng nghiệp còn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với nghiên cứu vật lý hạt nhân ở Việt Nam. Hiện tại, nhóm Vật lý hạt nhân thực nghiệm thuộc Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt (Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam) đang tiến hành những thí nghiệm do phân rã tia gamma của hạt nhân hợp phần tạo thành từ các phản ứng bắt nơtron nhiệt (tạo ra từ lò phản ứng) của một số đồng vị hạt nhân như ytterbium hay samarium. Phổ phân rã tia gamma này cũng có phần tương tự phổ mà nhóm Oslo đo được. Từ các phổ gamma thực nghiệm trên, các nhà khoa học có thể trích xuất được thông tin về MĐM và HLBX. Bên cạnh đó, một nhóm lý thuyết sẽ được phát triển dựa trên mô hình lý thuyết mà nhóm nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Quang Hưng đã đề xuất để tìm kiếm những mô hình cải tiến hơn nữa. Các hoạt động này đang dần hình thành nên một nhóm nghiên cứu vật lý hạt nhân tại Việt Nam có trình độ quốc tế cao, bao gồm cả nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm, và đặc biệt là hoàn toàn xuất phát từ nội lực.
PGS.TS Nguyễn Quang Hưng (giữa) cùng thấy hướng dẫn (TSKH Nguyễn Đình Đăng) và học trò (TS Lê Thị Quỳnh Hương).
Điển hình là nhóm Vật lý hạt nhân thực nghiệm tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt) và nhóm Vật lý hạt nhân lý thuyết tại Trường Đại học Duy Tân (do PGS.TS Nguyễn Quang Hưng đứng đầu) đã hợp tác và nghiên cứu thành công sơ đồ mức kích thích của hạt nhân 153Sm từ phản ứng bắt nơtron nhiệt được thực hiện hoàn toàn tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt. Kết quả nghiên cứu đã được nhóm công bố trên tạp chí Physical Review C vào tháng 8/2019 4. Trong công bố này, mô hình EP+IPM mà nhóm nghiên cứu đề xuất đóng vai trò rất quan trọng trong việc giải thích ý nghĩa vật lý của các số liệu mới đo đạc được tại Đà Lạt. Trước đó, nhóm nghiên cứu cũng đã thành công trong việc công bố một số bộ số liệu thực nghiệm mới trong giản đồ mức kích thích của hạt nhân 172Yb, thu được từ phản ứng bắt nơtron nhiệt (từ lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt). Các kết quả này đã được công bố trên tạp chí quốc tế uy tín Nuclear Physics A vào tháng 4/2017 5 như là một trong số ít công trình về Vật lý hạt nhân thực nghiệm được thực hiện hoàn toàn tại Việt Nam, do nhóm các nhà khoa học Việt Nam làm chủ.
Chính vì những ý nghĩa quan trọng nêu trên, ngay sau khi công trình “Simultaneous microscopic description of nuclear level density and radiative strength function” được công bố, Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ Chu Ngọc Anh đã gửi thư chúc mừng 3 tác giả của bài báo. Trong thư chúc mừng, Bộ trưởng chia sẻ “Vật lý hạt nhân luôn là một trong những hướng nghiên cứu ưu tiên của Nhà nước. Tuy nhiên, nghiên cứu vật lý hạt nhân ở Việt Nam gặp khó khăn hơn so với các lĩnh vực khác. Do đó các nhà khoa học Việt Nam vẫn phải thường xuyên hợp tác với đối tác nước ngoài như Pháp, Nhật Bản, Nga, Hàn Quốc và ra nước ngoài làm việc trên những máy gia tốc mà Việt Nam chưa có”. Bộ trưởng cũng khẳng định “Thành công của các bạn đã đóng góp chung cho thành công của lĩnh vực vật lý Việt Nam và của nền khoa học Việt Nam”.
Ghi chú:
1. N. Quang Hung, N. Dinh Dang, and L. T. Quynh Huong (2017), “Simultaneous microscopic description of nuclear level density and radiative strength function”, Physical Review Letters, 118(2):022502, doi: 10.1103/PhysRevLett.118.022502.
2 Physical Review Letters là tạp chí uy tín hạng nhất của ngành Vật lý, có chỉ số IF năm 2018 = 9.227, chỉ số H-index = 567.
3 N. Dinh Dang and A. Arima (1998), “Quantal and thermal damping of giant dipole resonance in 90Zr, 120Sn, and 208Pb”, Physical Review Letters, 80(19): 4145, doi.org/10.1103/PhysRevLett.80.4145.
4 N. Ngoc Anh, N. Quang Hung, N. Xuan Hai, P. Dinh Khang, A. M. Sukhovoj, L. V. Mitsyna, H. Huu Thang, and L. Hong Khiem (2019), “Level scheme of 153Sm obtained from 152Sm(nth, Y ) reaction using gamma-gamma coincidence spectrometer”, Physical Review C, 100(2): 023324, doi.org/10.1103/PhysRevC.100.024324.
5 Nguyen Ngoc Anh, Nguyen Xuan Hai, Pham Dinh Khang, Nguyen Quang Hung, and Ho Huu Thang (2017), “Updated level scheme of 172Yb from 171Yb(nth, Y) reaction studied via gamma-gamma coincidence spectrometer”,
Nuclear Physics A, 964: 55, doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2017.04.032.
Minh Nguyệt