Sét châm ngòi phản ứng hạt nhân trong cơn bão

Những tia sét sinh ra phản hạt, dẫn tới phản ứng hạt nhân tự nhiên. Ảnh minh họa: Vasin Lee.

Trong nghiên cứu công bố hôm qua trên tạp chí Nature, nhà vật lý học Teruaki Enoto ở Đại học Kyoto, Nhật Bản, chứng minh những tia sét đóng vai trò như máy gia tốc hạt tự nhiên để châm ngòi cho phản ứng hạt nhân trên không trung, theo Live Science.

Kết quả nghiên cứu của Enoto và cộng sự giúp xác nhận suy đoán về hiện tượng này được đưa ra năm 1925. Vào thời đó, giới nghiên cứu nêu giả thuyết những hạt phóng xạ mang năng lượng có thể lướt xuyên qua sấm sét của cơn giông bão. Những hạt này phát ra năng lượng ở bước sóng đặc biệt. Nhóm nghiên cứu của Enoto lần đầu tiên xác định các bước sóng đó.

Khi sét đánh, luồng electron phóng ra với vận tốc siêu nhanh giữa đám mây và bề mặt Trái Đất hoặc giữa hai đám mây, nhưng chúng không di chuyển qua không gian trống. Dọc đường đi, chúng liên tục va chạm với phân tử khí trong khí quyển. Va chạm này làm các phân tử khí nóng lên cực độ, chuyển thành trạng thái plasma và sáng rực lên nhờ bức xạ vật thể đen (blackbody radiation), một loại bức xạ điện từ do những vật thể mờ đục phát ra.

Con người có thể nhìn thấy một phần ánh sáng chói mắt đó dưới dạng tia chớp lóe lên. Nhưng sự phát xạ còn diễn ra dưới dạng sóng, bao gồm tia X và tia gamma, ngoài khả năng quan sát của mắt thường.

Nghiên cứu của Enoto chỉ ra những tia mang năng lượng không thể nhìn thấy này, đặc biệt là tia gamma, đánh bật neutron từ những phân tử ni tơ và oxy trong không khí xung quanh, tạo ra phản ứng phân hạch hạt nhân. Hạt nhân của nitơ với 14 neutron khá ổn định, nhưng khi mất một neutron, nó trở thành nitơ 13 (N-13), một đồng vị phóng xạ kém ổn định hơn. Điều tương tự cũng xảy ra với oxy, dẫn tới sự ra đời của đồng vị oxy 15 (O-15).

Tất cả phân tử N-13 và O-15 phân rã nhanh chóng sau đó. Mỗi đồng vị kém ổn định bắn ra thêm một neutrino và positron. Cả hai đều là những hạt sơ cấp với các đặc tính lạ. Hạt neutrino phóng ra xa gần như không thể phát hiện. Nhưng hạt positron, phản hạt của electron, tiếp tục va chạm với electron trong không khí. Khi một cặp hạt và phản hạt va chạm với nhau, chúng bị triệt tiêu trong nháy mắt.

Trong nghiên cứu, Enoto và đồng nghiệp sử dụng các máy dò bức xạ lắp ở trạm điện hạt nhân Kashiwazaki-Kariwa ở Niigata, dọc vùng biển Nhật Bản. Trong một cơn giông bão hồi tháng 2 năm nay, nhóm nghiên cứu phát hiện bức xạ mạnh từ những tia sét ngoài khơi, bao gồm một tia gamma lóe lên chớp nhoáng, kéo theo một tia gamma dài hơn có năng lượng 0,511 megaelectron volt (MeV). Đây là mức năng lượng thường thấy từ positron và electron sau một phản ứng hạt nhân.

"Tia gamma này là một bằng chứng xác thực về sự triệt tiêu positron-electron, giúp chỉ ra những phản ứng quang hạt nhân có thể được kích hoạt bởi giông bão", nhà vật lý học Leonid Babich ở Trung tâm Hạt nhân Liên bang Nga, bình luận về kết quả nghiên cứu.

Phương Hoa