Hạt neutrino xuất hiện như thế nào

Vô hình và có thể đi qua mọi vật êm nhẹ như một bóng ma, bao gồm cả cơ thể chúng ta và thậm chí là cả khối địa cầu, hạt ma quỷ - biệt danh các nhà khoa học đặt cho hạt hạ nguyên tử neutrino - không ngừng gây tò mò kể từ khi được phát hiện bởi Phòng thí nghiệm IceCube ở Nam Cực năm 2015.

Chúng ta chỉ biết hạt ma quỷ là một loại hạt vũ trụ, mang theo năng lượng cao, truyền từ không gian sâu thẳm đến các thế giới bao gồm Trái Đất. Khả năng xuyên thấu mọi vật của nó thậm chí đã được các nhà nghiên cứu tìm tòi ứng dụng trong lĩnh vực khoa học hành tinh.

Nhưng hạt ma quỷ đến từ đâu, xuất hiện như thế nào, vẫn là bí ẩn vĩ đại.

Phòng thí nghiệm "cô độc" IceCube ở Nam Cực - Ảnh: IceCube Collaboration

Giờ đây, một nghiên cứu vừa công bố ngày 4-11 trên tạp chí khoa học Science đã chỉ ra một nguồn gốc khả dĩ: Những thiên hà đóng vai trò như máy gia tốc hạt quy mô vũ trụ.

Một trong số các nhà máy mà nhân loại có thể nhìn thấy được, thông qua "mắt thần" của kính viễn vọng NASA, là NGC 1068.

Còn được biết đến với tên Messier 77 hay Centus A, NGC 1068 hiện ra như một vì sao sáng cách chúng ta 47 triệu năm ánh sáng, thuộc chòm sao Kình Ngư. Bán kính NGC 1068 ước tính lên tới 85.000 năm ánh sáng và sở hữu 300 tỉ ngôi sao.

Theo Live Sicence, nhóm nghiên cứu từ Trường Đại học Wiscosin - Madison (Mỹ) vừa khẳng định nó đồng thời là một máy gia tốc hạt vũ trụ, một "Công viên Disney" của các hạt ma quỷ.

Thiên hà NGC 1068 - Ảnh: NASA

Phân tích dữ liệu về thiên hà dị thường này, giáo sư vật lý Francis Halzen, trưởng nhóm nghiên cứu, nhận thấy thiên hà NGC 1068 là một khu vực rất giàu khí và điện từ. Nó đang bắn ra neutrino số lượng lớn đi khắp nơi trong vũ trụ, mà nhà máy sản xuất chính được cho là lõi của thiên hà.

Ở vùng lõi dày đặc đó, các nhà khoa học đã phát hiện ra một lỗ đen quái vật vào đầu năm nay, bị che khuất bởi các khối bụi dày đặc. Neutrino được bắn ra ngay chính tại lỗ đen đó, như những luồng phản lực khổng lồ, có thể tắm các vật thể tận các thiên hà khác trong cơn mưa hạt ma quỷ neutrino.

Phân tích sâu hơn, các nhà khoa học chỉ ra vùng rìa của lỗ đen, còn gọi là đĩa bồi tụ, chính là nơi các neutrino được tạo ra.

Đĩa bồi tụ là một vùng hỗn loạn chứa đầy vật chất bị lỗ đen kéo vào và các hoạt động hỗn loạn, khốc liệt ở đây, giữa một từ trường khủng khiếp, đã biến thành một cỗ máy gia tốc hạt quy mô vũ trụ, sinh ra hạt ma quỷ và có thể là nhiều dạng hạ nguyên tử khác khi các proton từ tia vũ trụ va vào hạt nhân nguyên tử và tạo ra một trận mưa hạt thứ cấp.

Nghiên cứu dựa trên dữ liệu quan sát từ các kính viễn vọng của NASA và một số thiết bị quan sát thiên văn khác, cũng như nhờ sự cải tiến của máy dò hạt neutrino tại Phòng thí nghiệm IceCube.

Theo các tác giả, nghiên cứu này mới chỉ là khởi đầu cho tham vọng khám phá thế giới hạt ma quỷ của họ.

Hiện tượng phóng xạ là quá trình vật lý biến đổi tự phát của hạt nhân nguyên tử. Hạt nhân ban đầu được gọi là hạt mẹ, hoặc hạt nhân mẹ. Hạt nhân phóng xạ tương ứng còn được gọi là mẹ (cha) một. Hạt nhân xuất hiện do biến đổi phóng xạ được gọi là hạt nhân con , hay hạt nhân con . Cùng tên của hạt nhân phóng xạ thu được. Các hạt nhân mẹ và con và các hạt nhân phóng xạ cấu tạo từ chúng được gọi là liên kết di truyền. Nếu hạt nhân con là chất phóng xạ, họ nói về chuỗi biến đổi phóng xạ, hoặc về chuỗi (họ) phóng xạ. Tất cả các nguyên tố trong chuỗi phóng xạ cũng được gọi là những nguyên tố có liên kết di truyền.

Các hiện tượng phóng xạ cơ bản là một -decay, ß ± -transformations (phân rã) и y -radiation.

Tại phân rã alpha (ký hiệu là a ), một hạt nhân phóng ra hạt nhân 4 He, hạt nhân   đó được gọi là hạt a .

Các quá trình tự phát sau đây có liên quan đến biến đổi beta :

• Biến đổi ß – (ß – – phân rã ) là sự phát xạ tự phát của cặp «điện tử và phản neutrino điện tử» bởi một hạt nhân;
• ß + – biến đổi (ß + – phân rã ) là sự phát xạ tự phát của cặp «positron và neutrino điện tử» bởi một hạt nhân;
• е-chụp, chụp điện tử (e) là hiện tượng chụp tự phát của một electron từ một vỏ electron nguyên tử (thường xuyên hơn từ К-vỏ; rằng nếu lý do tại sao hạn К-chụp được thường xuyên sử dụng) kèm theo bởi khí thải của các neutrino điện tử ;
• g -radiation (g) là quá trình phát xạ tự phát bởi một hạt nhân của một photon (một số photon) có năng lượng gọi là bức xạ ion hóa.

Sự chuyển đổi của hạt nhân từ trạng thái sống lâu (với thời gian sống trung bình hơn 100 ns) đến mức năng lượng thấp hơn được gọi là chuyển đổi đồng phân (IT), và hạt nhân có trạng thái sống lâu được gọi là đồng phân . Kích thích của các đồng phân có thể được giải phóng không chỉ do tương tác điện từ mà còn do phát xạ các hạt alpha, hạt beta hoặc các hạt khác ở một số điều kiện có thể xảy ra.

Ngoại trừ các quá trình này, các hiện tượng sau đây được gọi là hiện tượng phóng xạ:

• sự phân hạch tự phát (ký hiệu là f từ từ phân hạch ) là sự phân hạch tự phát của các hạt nhân nặng thành hai mảnh có khối lượng tương đương (hiếm khi có ba hoặc thậm chí nhiều hơn chúng);
• hoạt động cụm là sự phát xạ tự phát của các hạt nhân nặng hơn 4 He được đặt tên là các cụm hạt nhân (các cụm lên đến 32 S được phát hiện cho ngày nay);
• Hoạt động của neutron ( n ) là sự phát xạ neutron tự phát của các hạt nhân (nó diễn ra giữa các hạt nhân nhẹ bị quá tải bởi neutron, ví dụ 5 He, hoặc 10 Li)
• hoạt độ proton ( p ) là sự phát xạ tự phát của các proton bởi các hạt nhân (ví dụ, 112 Cs, 135 Tb; nặng nhất là 185 Bi);
• biến đổi trễ beta – là sự phát xạ tự phát của neutron (ß n , ß2 n ), proton (ß p , ep , e 2 p ), hạt alpha (ßa, ea ) bởi hạt nhân, hoặc sự phân hạch tự phát chậm beta của siêu hạt nhân nặng (ßb f , ef ). Chúng diễn ra ở trạng thái kích thích cao od hạt nhân con, xảy ra trong các phép biến đổi beta. Ví dụ điển hình là sự phát xạ các neutron bị trì hoãn bởi các mảnh phân hạch hạt nhân nặng.

Đôi khi, các quá trình biến đổi beta bổ sung sau đây được chỉ ra.

• Biến đổi beta của hạt nhân «trần» là biến đổi ß – tự pháttrong nguyên tử ion hóa cao có chu kỳ bán rã khác (đôi khi, hoàn toàn khác) với chu kỳ bán rã của nguyên tử trung hòa tương ứng. Ví dụ, chu kỳ bán rã của 187 Re trong nguyên tử trung tính là 5 × 10 10 năm, nhưng đối với 187 Re đượcion hóa hoàn toànthì nó nhỏ hơn 9 độ. Trong các ion phóng xạ đa điện tích có sự biến đổi beta liên kết , đó là sự phát xạ tự phát của các hạt nhân cặp «electron – phản neutrino» với sự bắt giữ electron phát ra bởi một lớp vỏ electron của nguyên tử (ký hiệu là b b ).
• Phép biến đổi beta kép là sự phát xạ hai cặp «electron –antineutrino» (2ß – ), hoặc hai cặp «positron – neutrino» (2ß + ), hoặc bắt điện tử nhân đôi (2 e ), hoặc bắt điện tử với phát xạ positron ( e ß + ). Các quá trình này rất hiếm và có chu kỳ bán rã dài nhất được biết đến ngày nay (từ 7 × 10 18 năm cho 100 Ru đến (3,5 ± 2,0) ⋅10 24 năm cho 128 Te).

Nói một cách khôi hài, các mảnh phân hạch, các hạt và cụm alpha, proton và neutron xuất hiện trong các loại hiện tượng phóng xạ khác nhau có thể được coi là các ngăn của hạt nhân nguyên tử nhưng với một số mệnh đề (người ta nên coi chúng là các hạt ảo). Electron và phản neutrino cũng như positron và neutrino không phải là ngăn hạt nhân và cũng không phải là ngăn nucleon. Bức xạ gamma của hạt nhân xảy ra do sự chuyển đổi điện từ trong hạt nhân, và do đó, chúng không được gọi là sự phân rã hạt nhân. Do đó, thuật ngữ “phân rã” theo thói quen sử dụng trong khoa học và công cộng không có giá trị để coi hiện tượng phóng xạ một cách văn học, nhưng nó nên được coi là từ đồng nghĩa với thuật ngữ “biến đổi”. Theo nghĩa đó, các thuật ngữ “phân rã beta”, “phân rã gamma” nên được xử lý.

Sự chuyển đổi lượng tử điện từ trong hạt nhân có thể đi kèm với sự chuyển đổi bên trong (nguyên tử phát ra một điện tử từ lớp vỏ điện tử của nó ngoại trừ phát ra photon, Hình 6), hoặc sự chuyển đổi cặp (sự hình thành của cặp điện tử-positron ngoại trừ gamma-lượng tử). Nhưng những hiện tượng này không được coi là các loại phóng xạ riêng biệt.

Vì vậy, phóng xạ nên được coi như là hiện tượng nguyên tử liên kết với sự biến đổi hạt nhân nguyên tử.

Một số hạt nhân phóng xạ chứng minh hai (ví dụ, a- và ß – của 212 Bi, ß – và e là 40 K và 64 Cu, p và a là 185 Bi) và thậm chí ba loại phóng xạ (ví dụ, a , e và e p của 110 Xe, ß – , ß – n và ß – 2 n của 98 Rb, e , ep và e 2 p   của 35Ca), đã xảy ra với khả năng khác nhau. Trong những trường hợp này, họ nói rằng các hạt nhân phóng xạ như vậy có thể trải qua các biến đổi phóng xạ dọc theo các chế độ khác nhau .

Có 4 chuỗi phóng xạ tự nhiên bao quanh chúng ta:

Ba chuỗi nguyên thủy thường gặp: