Một nhóm nhà khoa học tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN) vừa đạt được bước đột phá trong lĩnh vực vật lý hạt nhân khi chứng kiến quá trình biến đổi thành công nguyên tử chì thành nguyên tử vàng tại Máy gia tốc hạt lớn (LHC).

Dù lượng vàng được tạo ra là cực kỳ nhỏ và chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn, phát hiện này lần đầu tiên đánh dấu hiện tượng phân rã điện từ (electromagnetic dissociation) được ghi nhận là có thể dẫn đến sự hình thành vàng trong điều kiện phòng thí nghiệm. Đây được xem là một cột mốc quan trọng trong hành trình khám phá những bí ẩn của vật chất và năng lượng ở cấp độ hạ nguyên tử.

Khác với các thí nghiệm va chạm trực diện thường thấy tại LHC, hiện tượng biến đổi chì thành vàng lần này xảy ra thông qua một cơ chế đặc biệt gọi là “tương tác gần” (near-miss interaction). Theo đó, khi hai hạt nhân nguyên tử chì bay ngang nhau ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng mà không va chạm trực tiếp, chúng tạo ra trường điện từ cực mạnh.

"Trường điện từ phát ra từ hạt nhân chì rất mạnh vì mỗi hạt nhân chứa tới 82 proton. Khi đạt tốc độ cực cao trong LHC, trường này bị nén lại thành dạng xung photon ngắn, đủ để gây ra hiện tượng phân rã điện từ", CERN cho biết trong tuyên bố.

Chính xung photon này có thể tương tác với hạt nhân chì, khiến nó mất đi 3 proton và biến đổi thành nguyên tử vàng, một quá trình “giả kim” thực sự nhưng dựa trên các nguyên lý vật lý hiện đại.

Khám phá trên là kết quả từ nhóm nghiên cứu ALICE (A Large Ion Collider Experiment), một trong 4 thí nghiệm lớn tại LHC. Với sự hỗ trợ của hệ thống máy đo đặc biệt gọi là zero degree calorimeter (ZDC), các nhà khoa học đã có thể phát hiện và đo đếm được những tương tác cực kỳ hiếm giữa photon và hạt nhân nguyên tử, đồng thời xác nhận sự hình thành của các nguyên tử vàng, tali, thủy ngân và chì.

“Thật đáng kinh ngạc khi các thiết bị của chúng tôi có thể phân biệt rõ ràng giữa những vụ va chạm tạo ra hàng nghìn hạt và các tương tác chỉ tạo ra một vài hạt. Điều này cho phép chúng tôi nghiên cứu chi tiết hiện tượng “giả kim điện từ” một cách chưa từng có trước đây”, ông Marco Van Leeuwen, người phát ngôn của ALICE, chia sẻ.

Máy gia tốc hạt lớn của CERN đã chuyển hóa chì thành vàng bằng cách sử dụng sự va chạm gần của hai hạt nhân kim loại cơ bản.

Trong suốt giai đoạn vận hành thứ hai của LHC (2015–2018), ước tính đã có khoảng 86 tỷ nguyên tử vàng được tạo ra từ các tương tác giữa hạt nhân chì. Tuy nhiên, tổng khối lượng của lượng vàng này chỉ vào khoảng 29 picogram (2,9 × 10⁻¹¹ gram), nhỏ hơn cả một hạt bụi, và các nguyên tử này chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn trước khi phân rã thành các hạt cơ bản khác.

Điều đó đồng nghĩa, dù về mặt lý thuyết có thể tạo ra vàng bằng công nghệ hiện đại, khả năng khai thác theo hướng thương mại là điều hoàn toàn bất khả thi.

Dù không mang lại giá trị kinh tế, phát hiện của nhóm ALICE có ý nghĩa lớn đối với ngành vật lý hạt nhân. Việc kiểm chứng mô hình phân rã điện từ giúp giới khoa học hiểu rõ hơn về các phản ứng vi mô trong điều kiện năng lượng cực cao, đồng thời hỗ trợ tối ưu hiệu suất vận hành của LHC và các máy gia tốc thế hệ tiếp theo.

Hiểu biết sâu hơn về cơ chế phân rã điện từ không chỉ đóng góp vào kho tàng tri thức khoa học cơ bản, mà còn đóng vai trò thiết yếu trong việc kiểm soát tổn thất chùm tia, một trong những yếu tố then chốt quyết định khả năng hoạt động bền vững của các máy gia tốc hạt hiện đại.