Sự hội tụ tia gamma là có thể

Từ ngày các nhà vật lí biết đến tia gamma, họ vẫn tin rằng người ta không thể nào chế tạo một thấu kính thực tế có khả năng hội tụ chúng giống như ánh sáng. Nhưng nay một đội gồm những nhà vật lí ở Pháp và Đức vừa thực hiện một khám phá bất ngờ cho thấy sự hội tụ tia gamma thật ra là có thể. Đồng thời dẫn tới nhiều ứng dụng mới đa dạng trong lĩnh vực chụp ảnh y khoa và màn quét an ninh, khám phá trên còn mang lại một sự hiểu biết tốt hơn về cách thức ánh sáng tương tác với vật chất.

Dietrich Habs và các đồng sự hiện đang nghiên cứu những thấu kính tia gamma bằng vàng (Ảnh: Dietrich Habs)

Khi bức xạ điện từ truyền qua một môi trường, tốc độ của nó được cho bởi chiết suất của môi trường đó. Khi bức xạ từ môi trường này sang môi trường khác, sự biến thiên chiết suất làm cho đường đi của nó bị bẻ cong – và đây là cơ sở của quang học cổ điển. Đối với tia X, chiết suất được xác định bởi sự tán xạ Rayleigh, về cơ bản là một hiện tượng cổ điển có thể giải thích mà không cần viện đến những tương tác chi tiết giữa từng photon và hạt nhân nguyên tử.

Trong khi các nhà vật lí vẫn sử dụng sự tán xạ Rayleigh để làm hội tụ tia X, thì độ lớn của hiệu ứng bị giảm theo nghịch đảo bình phương của năng lượng tia X. Điều này có nghĩa là ở những năng lượng tia X cao – và ở những năng lượng tia gamma thấp – bức xạ không bị bẻ cong đủ cho thấu kính hoạt động hiệu quả. Một cách giải quyết vấn đề này là cho bức xạ đi qua một số lượng lớn những thấu kính liên tiếp. Tuy nhiên, không có thấu kính nào là trong suốt hoàn toàn và ở những năng lượng cao thì số lượng lớn thấu kính cần dùng trên thực tế sẽ khiến toàn bộ bức xạ bị hấp thụ hết.

Tạo một đường lui

Theo vật lí học cổ điển và vật lí lượng tử thông thường, xu hướng này sẽ tiếp tục diễn ra ở những năng lượng cao hơn. Đây là cái Dietrich Habs và các đồng sự tại trường Đại học Ludwig Maximilians ở Munich, Đức, cùng với các cộng sự tại Viện Laue-Langevin ở Grenoble, Pháp, sắp đặt để đo ở silicon. Nhưng thay vậy, họ phát hiện thấy xảy ra cái ngược lại – chiết suất bắt đầu tạo ra một đường lui ở những năng lượng cao hơn khoảng 700 keV. Ngoài ra, trong khi chiết suất đó là âm đối với tia X, thì nó trở nên dương đối với tia gamma.

Habs là một nhà vật lí thực nghiệm và không hề khẳng định đã có lời giải thích lí thuyết chi tiết cho hiện tượng trên, nhưng ông tin rằng các kết quả trên mang lại những gợi ý trêu ngươi của điện động lực học lượng tử vượt ngoài giới hạn Schwinger – điểm tại đó những phép tính nhiễu loạn truyền thống của điện động lực học lượng tử bị phá vỡ và cơ sở toán học trở nên bất lực với những kĩ thuật hiện nay. Các nhà nghiên cứu quy những kết quả trên cho một quá trình khác gọi là sự tán xạ Delbrück, hiện tượng xảy ra khi một photon tới có đủ năng lượng để thâm nhập đủ gần đến hạt nhân, tạo ra một cặp electron-positron từ chân không lượng tử.

Phải viết lại sách giáo khoa?

Theo Habs giải thích, trước đây người ta không thể tạo ra một nguồn phát tia gamma năng lượng mono đủ lớn để thật sự đo lấy chiết suất của các chất liệu ở những năng lượng cực cao như thế, cho nên các bảng số liệu trong sách giáo khoa vật lí hạt nhân được suy luận ra từ lí thuyết, chúng đều giả sử rằng sự tán xạ Delbrück là một hiệu ứng yếu. Nay những quyển sách giáo khoa đó có thể phải viết lại. “Cái mới lúc này là với tia gamma chúng tôi thật sự có thể xử lí điện trường cực cao của hạt nhân,” Habs giải thích.

Nhà vật lí hạt nhân Norbert Pietralla thuộc trường Đại học Darmstadt ở Đức cảm thấy ấn tượng trước những kết quả trên. “Các số đo cho thấy có tồn tại một chiết suất đối với những năng lượng tia gamma lớn hơn về căn bản so với cái người ta tin tưởng trước đây,” ông nói. Ông lí giải rằng kết quả này có thể mang đến những thấu kính cho tia gamma.

Habs cũng hết sức hào hứng trước sự đa dạng của những ứng dụng khả dĩ mà công nghệ trên có thể mang lại. Ông đề xuất rằng sự chụp ảnh y khoa chỉ là một khả năng, ngoài ra còn có thể dùng tia gamma để theo dõi lithium trong não của bệnh nhân đang điều trị chứng rối loạn lưỡng cực. Về lâu dài, ông tin rằng khám phá trên có thể mang lại một cuộc cách mạng trong lĩnh vực quang học tia gamma giống hệt như cái đã xảy ra từ phát minh ra kính thiên văn và kính hiển vi hồi thế kỉ 17. Những chất liệu có hạt nhân mang điện tích dương lớn – ví dụ như vàng – sẽ thật lí tưởng cho việc chế tạo thấu kính tia gamma, và đội khoa học hiện đang nghiên cứu những thấu kính làm bằng vàng.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Alpha Physics – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com