Nơi ra đời những phát minh hàng đầu thế giới

Chính ở đây đã phát minh 6 nguyên tố siêu nặng mới, lấp đầy 6 ô trống trong Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học. Và cũng chính điều đó cuốn hút lòng ngưỡng mộ và bước chân người viết bài này…

GSI (German research center for heavy ion physics) là một trong những trung tâm khoa học lớn nhất của CHLB Đức.

Bắt đầu từ một máy gia tốc ion nặng, GSI trong ngót nửa thế kỷ nay đã trở thành trung tâm nghiên cứu khoa học lớn không chỉ với nước Đức mà cả thế giới.

Chính ở đây đã phát minh 6 nguyên tố siêu nặng mới, lấp đầy 6 ô trống trong Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học. Sự kiện đó đưa GSI lên cùng hàng với những trung tâm nghiên cứu hàng đầu thế giới như Phòng thí nghiệm quốc gia Berkley (Mỹ), Viện Liên hiệp Nghiên cứu Hạt nhânDupna (Nga), Viện Nghiên cứu Hóa Lý RIKEN (Nhật Bản).

Và cũng chính điều đó cuốn hút lòng ngưỡng mộ và bước chân người viết bài này …

“Thánh đường” của những đam mê

Trung tâm GSI nằm ở phía bắc Darmstadt, thuộc bang Hesse, CHLB Đức, cách xa nơi tôi ở về phía tây nam thành phố khoảng 20 phút chạy ô tô. Bỏ lại xa lộ phía sau, một con đường nhỏ, thẳng tắp và yên tĩnh dẫn tôi đi vào một cánh rừng mênh mông.

Bỗng trước mắt hiện ra những tòa nhà vuông vắn, một trung tâm nghiên cứu tầm cỡ quốc tế ẩn mình giữa cánh rừng tĩnh lặng. Giữa ngày thu, những mảng lá vàng, lá đỏ rực rỡ xen lẫn trong bạt ngàn màu lá xanh tím đang biến sắc mỗi ngày. Xa xa, đồng cỏ xanh biếc mịn màng uốn lượn thoai thoải theo những triền đồi. 

Thiên nhiên diệu kỳ, không gian tĩnh lặng… Những ai từng dấn thân vào những đam mê khám phá khoa học sẽ cảm nhận sâu sắc “thánh đường khoa học” đó, bầu khí trời đó cần thiết như thế nào cho những lao động sáng tạo.

Thiên nhiên đó gợi lên trong ký ức tôi hình ảnh Trung tâm nghiên cứu hạt nhân quốc tế Dupna, bốn mươi năm trước, những năm tháng hệ trọng nhất trong cuộc đời khoa học của mình. Hình ảnh những phòng thí nghiệm, những máy gia tốc “khổng lồ” và một lò phản ứng hiện đại… ẩn mình trong rừng bạch dương ngút ngàn bên dòng sông Vôn-ga.

Không gian đó cũng là bóng dáng của Viện Nghiên cứu RIKEN, phía bắc thủ đô Tokyo. Những ngày xuân, tháng tư, rặng anh đào nở hoa tươi thắm, không gian khoa học RIKEN như rực rỡ, tươi thắm hơn và có sức hấp dẫn đặc biệt.

Sự yên tĩnh trong giờ làm việc ở GSI, cũng như những trung tâm khoa học như Dupna, RIKEN…, đến mức không thể hình dung trong các tòa nhà đồ sộ lại có đến hàng nghìn con người đang say mê bên các thiết bị thí nghiệm, hoạch định dự án mới hoặc trao đổi, thảo luận về những kết quả khoa học thú vị vừa thu được. 

Phía sau cánh cổng của GSI có khoảng 1050 biên chế chính thức đang làm việc; trong đó có 300 nghiên cứu viên và kỹ sư. Có cả 1200 người; bao gồm 200 nghiên cứu sinh tiến sĩ và cao học, đến từ các trường đại học, viện nghiên cứu trong nước và nhiều nước khác trên thế giới.

Nguồn ngân sách cho hoạt động của GSI được cấp bởi Chính phủ liên bang Đức (90%) và chính quyền bang Hesse (10%). Kinh phí hoạt động hàng năm khoảng 85 triệu Euro.

Năm nay, Trung tâm GSI vừa tròn 40 tuổi (thành lập năm 1969). Giới khoa học Đức có dịp nhìn lại những thành tựu đã đạt được trong 40 năm qua và hoạch định những dự án mới to lớn hơn.

Từ hạt cơ bản vô cùng bé đến vũ trụ bao la

Trên con đường phát triển 40 năm qua, GSI đã thu được những thành tựu khoa học to lớn.

Ngay từ ngày thành lập, GSI đã định hướng vào công nghệ gia tốc ion nặng.

Vậy ion nặng là gì? Đó là các nguyên tử như H, He, Ca, Au, Pb… hoặc rất nặng như U, bị mất một số electron của lớp bên ngoài, trở thành các ion mang điện dương. Nhờ mang điện nên có thể gom lại thành chùm và gia tốc trong trường điện từ của máy gia tốc để đạt được vận tốc cao.

GSI đã xây dựng và đưa vào sử dụng từ rất sớm, những năm 60 của thế kỷ trước, hệ thống thiết bị gia tốc các hạt ion. Đó là máy gia tốc thẳng UNILAC dài 120 mét cho phép gia tốc đến vận tốc khoảng 20% vận tốc ánh sáng.

Ngoài ra, còn có một máy gia tốc vòng SIS, chu vi 216 mét, cho ra chùm ion nặng với vận tốc bằng 90% vận tốc ánh sáng, sau khi quay hàng mấy trăm ngàn vòng.

Nhờ các máy gia tốc ở trên cùng với nhiều thiết bị hỗ trợ hiện đại khác, các nghiên cứu ở GSI đã trải ra một phổ rất rộng, từ những nghiên cứu cơ bản đến những nghiên cứu ứng dụng, từ nghiên cứu tính chất và quy luật chuyển động của những hạt cơ bản như hạt Quark với kích thước bé hơn 10(-18)m đến tìm hiểu sự hình thành của vũ trụ bao la, thiên hà rộng lớn đo bằng triệu năm ánh sáng.

Trong đó, thành tựu nổi bật nhất là phát minh ra các nguyên tố mới. Tiến sĩ Dieter Ackermann, người đã và đang tham gia các nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực này, dẫn tôi đi xem các thiết bị nghiên cứu và giới thiệu những phát minh của GSI. 

Về khoa học, việc tìm kiếm các nguyên tố mới có nhiều ý nghĩa, nhiều hấp dẫn. Các nguyên tố hóa học được tạo thành trên các vì sao và trong các vụ nổ vũ trụ, là những thành phần tạo nên thế giới vật chất quanh ta, kể cả trái đất và cả cơ thể con người. Tuy vậy, có những nguyên tố tồn tại trong vũ trụ nhưng chưa tìm thấy trên quả đất.

Và các nhà khoa học ở GSI đã tìm thấy, đã tạo được trong phòng thí nghiệm một số nguyên tố như vậy, bằng cách bắn phá các hạt ion nặng vận tốc cao (đạn) vào các tấm bia bằng những chất liệu khác nhau. Trong quá trình đó, hai nguyên tử (đạn và bia) kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân mới, nặng hơn.

Bằng phương pháp đó, ở GSI, trong khoảng 25 năm qua, đã phát minh 6 nguyên tố siêu nặng mới, đó là: Bohrium 107, Hassium 108, Meitnerium 109, Darmstadium 110, Roentgenium và nguyên tố mới nhất là 112.

Nếu các ion được gia tốc đến năng lượng rất cao, các hạt nhân bị bắn phá sẽ “nóng sôi” lên và vỡ ra nhiều mảnh. Hiện tượng này tạo khả năng nghiên cứu một môi trường plasma gồm các hạt quark-gluon, một dạng vật chất tồn tại rất ngắn sau vụ nổ big bang.

Nhà vật lý có mặt ở GSI từ những năm rất sớm, Tiến sĩ Peter Egelhof, đồng thời là Giáo sư ở trường Đại học ở TP Mains, tiếp và giới thiệu với tôi những kết quả nghiên cứu về phản ứng và cấu trúc hạt nhân thu được trên chùm ion nặng trong thời gian vừa qua và những dự định về một dự án tương lai. 

Ngoài các lĩnh vực nghiên cứu cơ bản, chùm ion nặng có thể sử dụng trong những nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt trong lĩnh vực sinh y học.

Các ion nặng có khả năng gây ra những hiệu ứng vật lý và sinh học rất đặc biệt trên các mô của cơ thể. Do đó, các khối u ung thư rất dễ dàng bị phá hủy trong khi có thể giữ gìn được các tế bào lành nằm kế cận. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả với các loại ung thu não và cổ.

Với phương pháp điều trị ung thư trên chùm ion, GSI là một trong những cơ sở đi tiên phong trên thế giới trong lĩnh vực này. Sau nhiều năm tiến hành thử nghiệm và điều trị, bây giờ một trung tâm chữa trị ung thư trên chùm ion đã được xây dựng ở Heidelberg với sự hỗ trợ kỹ thuật của GSI. Dự kiến hàng năm số bệnh nhân điều trị có thể trên 1000 người.

Trung tâm nghiên cứu GSI có mối quan hệ rộng với cộng đồng khoa học thế giới, hợp tác với hàng trăm viện nghiên cứu của khoảng 50 nước trên thế giới.

Việt Nam đã từng cử một số nhà vật lý giỏi đến đây làm việc, tham gia các dự án nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý hạt nhân thực nghiệm và lý thuyết, và đang gửi đến đây những nghiên cứu sinh trẻ để đào tạo.

Đối với những lĩnh vực khoa học nước ta chưa có thể hay chưa được đầu tư, đó là phương hướng đào tạo nguồn nhân lực đúng đắn và hiệu quả nhất.