Bí ẩn của phân rã hạt nhân biến đổi

Phải chăng Rutherford đã sai?

Nhưng đây không còn là quan điểm của cặp nhà vật lí ở Mĩ. Ephraim Fischbach và Jerre Jenkins ở trường Đại học Purdue ở Indiana đang khẳng định rằng, không còn ổn định nữa, các “hằng số” phân ra nhất định còn bị ảnh hưởng bởi Mặt trời. Khẳng định đó đang gây ra những phản ứng rắc rối từ những người khác trong cộng đồng vật lí học, nhất là vì nó ngụ ý rằng nền khoa học đã thiết lập hàng thế kỉ qua là có chỗ hỏng.

Sự biến đổi thường niên

Fischbach và Jenkins làn đầu tiên bắt đầu tìm kiếm các thăng giáng trong sự phân rã hạt nhân vào năm 2006 sau khi họ tình cờ xem qua bản báo cáo của một thí nghiệm tiến hành tại phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (BNL), New York, từ năm 1982 đến 1986. Đội BNL tìm thấy rằng trong khoảng thời gian đó, hằng số phân rã của silicon 32 – tương đối so với một chuẩn sống lâu – điều biến xung quanh giá trị bình thường khoảng 172 năm của nó vào cỡ 0,1%. Ngoài ra, điều biến đó có vẻ gần như cùng pha với khoảng cách biến thiên của Trái đất đến Mặt trời: vào tháng 1, khi Trái đất ở gần Mặt trời nhất, tốc độ điều biến là nhanh nhất; vào tháng 7, khi Trái đất ở xa nhất, tốc độ là thấp nhất.

Các nhà nghiên cứu Purdue bị kích thích tò mò bởi sự điều biến trong dữ liệu BNL, và vào cuối năm 2006 đã bắt đầu theo dõi một đồng vị hạt nhân khác, manganese – 54, nhằm tìm các thăng giáng bất ngờ. Thoạt đầu, sự phân rã của manganese dường như tuân thủ chặt chẽ quy luật hàm mũ bình thường. Nhưng vào hôm 13 tháng 12, Jenkins tình cờ bắt gặp một câu chuyện trên tờ FOX News nói về một tai lửa Mặt trời lớn bất thường, thúc đẩy ông và Fischbach đi đến so sánh dữ liệu manganese của họ với các số đọc tia X từ vệ tinh.

Họ phát hiện thấy một nhánh nhọn trong luồng tia X đi cùng với tai lửa gần như trùng với một số dốc ở tốc độ phân rã của manganese. Hai ngày sau đó, một nhánh tia X phát sinh từ một tai lửa Mặt trời thứ hai phù hợp với một chỗ dốc khác, mặc dù rất yếu. Sau đó, vào hôm 17 tháng 12, một nhánh tia X thứ ba đi cùng với một chỗ dốc khác nữa, lần này thì dễ thấy hơn (xem hình).

Các nhà nghiên cứu Purdue đã gửi đăng một bài báo về các tương quan tai lửa Mặt trời cho tờ Physical Review Letters nhưng bị từ chối đăng, vì không có cơ chế nào trụ đỡ cho nó (họ cũng đã tải bản thảo lên arXiv:0808.3156). Không nản lòng, họ bắt đầu tìm tư liệu cho bản ghi các tốc độ phân rã thăng giáng khác, và thật vậy, năm nay họ đã tìm thấy một ví dụ khác trong một thí nghiệm kéo dài 15 năm hoàn thành năm 1998 tại Physikalisch – Technische Bundesanstalt (PTB) ở Đức. Như trong thí nghiệm BNL, thí nghiệm PTB tìm thấy một điều biến thường niên trong một hằng số phân rã, mặc dù lần này là đối với đồng vị hạt nhân radium – 226. “Chúng tôi đang hi vọng việc nhận ra các thăng giáng trong những dữ liệu khác sẽ củng cố thêm cho ý tưởng rằng hoạt động Mặt trời có thể ảnh hưởng đến tốc độ phân rã”, Fischbach giải thích.

Cách thức các thăng giáng của manganese – 54 liên quan đến tai lửa Mặt trời vào cuối năm 2006. Các chấm đen biểu diễn số phân rã mỗi giây (trên thang đo logarith), còn các chấm đỏ biểu diễn thông lượng tia X phát hiện bởi vệ tinh. Các mũi tên màu đỏ chỉ những thời điểm khi các nhánh trong thông lượng tia X – phát sinh bởi tai lửa Mặt trời – trùng với độ nghiêng trong tốc độ phân rã của manganese.

Nền vật lí mới?

Fischbach – người đã ghi tên tuổi mình vào cuối thập niên 1980 bởi việc khẳng định sự có mặt của “một lực thứ năm” ngoài bốn lực cơ bản của tự nhiên – nói rằng ông và Jenkins đã có “hứng thú lớn” từ các đồng nghiệp quốc tế, những người đã nhảy vào khả năng của một nền vật lí mới. Tuy nhiên, nhiều người đã không bị thuyết phục là có cái gì đó gây kích thích. “Thường khó đối với một kẻ ngoài cuộc – tức là người chẳng xây dựng và điều hành thí nghiệm – xem xét hết tất cả những kết quả hệ thống có thể có”, theo lời Michael Smy ở trường Đại học California, Irvine. “Các biến thiên thời gian tầm xa là những phép đo khét tiếng khó khăn có thể ảnh hưởng tới các kết quả hệ thống”.

Cho dù là các tương quan tốc độ phân rã với tai lửa Mặt trời và khoảng cách Trái đất – Mặt trời không phải là một sự trùng hợp ngẫu nhiên, thì chúng đã làm phát sinh câu hỏi chính xác thì hoạt động gì của Mặt trời đang gây ra hiệu ứng. Trong một bài báo gửi đăng gần đây hơn cho tờ Physical Review Letters (bản thảo tại arXivL 0808.3283), các nhà nghiên cứu Purdue cho rằng hạt nhân phóng xạ vì một lí do nào đó đã bị ảnh hưởng bởi các neutrino Mặt trời.

Vấn đề phát sinh với cách giải thích này là các neutrino chỉ nhạy với tương tác yếu, tương tác chi phối phân rã beta. Mặc dù silicon trong thí nghiệm BNL phân rã beta, nhưng radium trong thí nghiệm PTB phân rã alpha – một quá trình bị chi phối bởi tương tác mạnh. Tuy nhiên, Fischbach và Jenkins nghĩ rằng radium biểu hiện sự điều biến vì phần nhiều trong các sản phẩm phân rã của nó – như chì – 214 và bismuth-213 – thật sự thực hiện phân rã beta.

Các nhà nghiên cứu Purdue sử dụng cách lí giải này để giải thích tại sao Peter Cooper, một nhà vật lí đến từ Ferrmilab, Illinois, tìm thấy không có sự thăng giáng tốc độ phân rã nào trong một phiên bản ngoài khí quyển của các thí nghiệm BNL và PTB trong một bản thảo đã tải lên hồi tuần rồi (arXiv: 0809.4248). Lấy dữ liệu từ tàu thăm dò vũ trụ Cassini của NASA, Cooper lưu ý thấy sự phân rã của các máy phát nhiệt điện plutonium -238 trên tàu vừa vặn lệch khỏi định luật hàm mũ quen thuộc khi phi thuyền tiến gần tới Mặt trời như Kim tinh và tiến xa Mặt trời như Thổ tinh. Nhưng Fischbach và Jenkins cho rằng, xét chuỗi phân rã plutonium -238, sẽ mất thời gian rất lâu cho các máy phát của Cassini tích tụ bất cứ đồng vị nào phân rã beta.

“Những lời giải thích điên dại”

Khi nhiều nhà khoa học nghe nói tới mối liên hệ đã được khẳng định của các hằng số phân rã với hoạt động Mặt trời, các phản ứng thay đổi từ hoài nghi cho đến phản đối. “Tôi không hiểu rốt cuộc đây có khả năng là cái gì…”, theo lời John Barrow ở trường đại học Cambridge. “Nó là một kết quả lớn… Nghe có vẻ như có liên quan [tới hoạt động Mặt trời], nhưng thật ra nó không thể”.

“Nếu sinh viên mang kết quả này đến cho tôi, tôi sẽ khuyên họ tìm hiểu thí nghiệm của họ trước khi họ bắt đầu tiếp cận với các mối tương quan điên dại của sự nhiễu máy dò hạt với các hiện tượng tự nhiên được nhặt lấy ngẫu nhiên”, theo lời David Wark ở trường Imperial College London. “Bạn phải chứng minh thứ cần được giải thích trước khi bạn đi đến với những lời giải thích điên dại”.

Trong khi đó, các nhà nghiên cứu Purdue vừa mới tìm thấy một ví dụ khác nữa của sự điều biến thường niên tốc độ phân rã – lần này bởi một bác sĩ nhi khoa người Mĩ, người nghiên cứu sự phân rã của plutonium -238 – berllium năm 1990. “Cái dữ liệu của chúng tôi đang cho thấy là chu kì bán rã, hay hằng số phân rã, rõ ràng không phải là những hằng số cơ bản của tự nhiên, mà hình như nó bị ảnh hưởng bởi hoạt động của Mặt trời”, Fischbach nói “Tóm lại, cái chúng tôi đang chỉ ra là hằng số phân rã thật ra không phải là một hằng số”.