Tia gamma

Từ tia sét đến sự hủy electron, loại ánh sáng năng lượng cao nhất này có mặt ở mọi nơi.

Tia gamma là loại ánh sáng có năng lượng cao nhất, nó có khả năng xuyên qua rào chắn kim loại hoặc bê tông. Giàu năng lượng hơn cả tia X, tia gamma được sinh ra trong đám hỗn độn của những ngôi sao đang nổ, sự hủy cặp của electron, và sự phân rã của các nguyên tử phóng xạ. Và ngày nay, các nhà y học còn dùng chúng trong phẫu thuật.

Bác sĩ dùng “dao mổ tia gamma” để phẫu thuật não

Tia gamma vừa nguy hiểm vừa có thể hữu ích. Để phá hủy các tế bào ung thư não và các chứng bệnh khác, các nhà y học thỉnh thoảng sử dụng “dao mổ tia gamma”. Kĩ huật sử dụng nhiều chùm tia gamma tập trung vào các tế bào cần phá hủy. Vì mỗi chùm tia tương đối nhỏ, nên nó ít gây tổn hại cho các mô não khỏe mạnh. Nhưng nơi chúng tập trung, lượng bức xạ có cường độ đủ mạnh để tiêu diệt các tế bào ung thư. Vì não là cơ quan tinh vi, nên dao mổ tia gamma là một phương thức tương đối an toàn để tiến hành những loại phẫu thuật nhất định gây khó khăn đối với dao mổ thông thường.

Tên gọi “tia gamma” do Ernest Rutherford đặt

Nhà hóa học người Pháp Paul Villard lần đầu tiên nhận ra tia gamma vào năm 1900 từ nguyên tố radium, nguyên tố do vợ chồng Marie và Pierre Curie tách được hai năm trước đó. Khi các nhà khoa học lần đầu tiên nghiên cứu các hạt nhân nguyên tử biến đổi như thế nào, họ nhận ra ba loại bức xạ dựa trên mức đâm xuyên của chúng vào một rào chắn bằng chì. Ernest Rutherford đã đặt tên cho bức xạ theo ba kí tự đầu tiên của bảng chữ cái Hi Lạp. Tia alpha bị bật trở ra, tia beta đi xuyên được một chút, và tia gamma thì xuyên xa nhất. Ngày nay, chúng ta biết tia alpha chính là hạt nhân helium (hai proton và hai neutron), tia beta là electron hoặc positron (phản hạt của electron), và tia gamma là một loại ánh sáng.

Các phản ứng hạt nhân là nguồn phát chính của tia gamma

Khi một hạt nhân uranium không bền chia tách trong quá trình phân hạch, nó giải phóng rất nhiều tia gamma. Sự phân hạch được sử dụng cả trong lò phản ứng hạt nhân và đầu đạn hạt nhân. Để theo dõi các vụ thử hạt nhân hồi thập niên 1960, nước Mĩ đã phóng các detector bức xạ gamma lên vệ tinh. Họ tìm thấy số lượng vụ nổ nhiều hơn con số họ muốn thấy. Cuối cùng, các nhà thiên văn nhận ra các vụ nổ này đến từ không gian xa xôi – chứ không phải từ Liên Xô – và đặt tên cho chúng là vụ nổ tia gamma, hay GRB. Ngày nay, chúng ta biết GRB thuộc hai loại: vụ nổ của các ngôi sao khối lượng cực lớn, chúng phát ra tia gamma khi chúng qua đời, và sự va chạm giữa một tàn dư sao cực kì đậm đặc gọi là sao neutron và một thứ khác, có thể là một sao neutron khác hoặc một lỗ đen.

Tia gamma giữ một vai trò thiết yếu trong khám phá boson Higgs

Đa số các hạt trong Mô hình Chuẩn của vật lí hạt sơ cấp là không bền; chúng phân hủy thành hạt khác hầu như ngay khi chúng ra đời. Boson Higgs, chẳng hạn, có thể phân hủy thành nhiều loại hạt khác nhau, kể cả tia gamma. Mặc dù lí thuyết dự đoán xác suất để một boson Higgs sẽ phân hủy thành tia gamma chỉ là 0,2%, nhưng loại phân hủy này tương đối dễ nhận dạng và nó là một trong những loại mà các nhà khoa học đã quan sát khi họ lần đầu tiên khám phá boson Higgs.

Để nghiên cứu tia gamma, các  nhà thiên văn xây dựng các kính thiên văn trong không gian

Tia gamma từ không gian bên ngoài truyền tới Trái đất tương tác với các nguyên tử trong khí quyển nên hầu như không còn tia nào chạm tới mặt đất. Điều đó có lợi cho sức khỏe của chúng ta, nhưng không hay cho những ai muốn nghiên cứu GRB và các nguồn tia gamma khác. Để nhìn thấy tia gamma trước khi chúng đi vào khí quyển, các nhà thiên văn phải xây dựng các kính thiên văn trong không gian. Đây là một thách thức, xét từ nhiều lí do. Ví dụ, bạn không thể sử dụng thấu kính hoặc gương bình thường để làm hội tụ tia gamma, vì tia gamma đi xuyên qua chúng. Thay vậy, một đài thiên văn như Kính thiên văn vũ trụ Tia gamma Fermi phát hiện tín hiệu từ tia gamma khi chúng đi tới một detector và biến đổi thành các cặp electron và positron.

Một số tia gamma đến từ bão sấm

Hồi những năm 1990, các đài thiên văn trên không gian đã phát hiện các vụ nổ tia gamma đến từ các đám mây giông trên Trái đất. Khi điện tích tĩnh điện hình thành bên trong các đám mây, kết quả là tia sét. Điện tích tĩnh điện đó cũng tác dụng giống như một máy gia tốc hạt khổng lồ, tạo ra các cặp electron và positron, sau đó chúng hủy nhau thành tia gamma. Các vụ nổ này xảy ra ở độ cao đủ lớn trong không khí nên chỉ có máy bay bị ảnh hưởng – và chúng là một lí do mà máy bay phải tránh xe các đám mây.

Tia gamma gián tiếp gây ra sự sống trên Trái đất

Bên trong mặt trời, các hạt nhân hydrogen hợp nhất với nhau. Khi hiện tượng này xảy ra, một sản phẩm phụ là tia gamma. Năng lượng của tia gamma giữ cho lõi mặt trời luôn rất nóng. Một số tia gamma đó cũng thoát ra các lớp ngoài của mặt trời, tại đó chúng va chạm với các electron và proton và mất dần năng lượng. Khi chúng mất năng lượng, chúng biến đổi thành tia tử ngoại, tia hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy. Tia hồng ngoại giữ cho Trái đất ấm áp, còn ánh sáng nhìn thấy duy trì giới thực vật trên Trái đất.

Nguồn: Symmetry Magazine