Trong kỷ nguyên thông tin và an ninh hiện nay, kiểm soát vật liệu hạt nhân – đặc biệt là những vật liệu có thể sử dụng cho vũ khí – là một trong những nhiệm vụ cấp bách của cộng đồng quốc tế. Các phương pháp truyền thống như quét X-quang hay kiểm tra trực tiếp đều có hạn chế: X-quang cần nguồn bức xạ nhân tạo, có nguy cơ ảnh hưởng tới con người và giới hạn khi xuyên qua vật liệu rất dày, còn kiểm tra trực tiếp thì thường đòi hỏi tiếp cận vật thể và có thể xâm phạm bí mật chiến lược. Công trình nghiên cứu thực nghiệm từ Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos (Mỹ) mở ra một hướng đi khác: tận dụng các hạt muon từ tia vũ trụ kết hợp với tín hiệu neutron để phát hiện vật liệu hạt nhân đặc biệt, mà ít làm lộ các thông tin nhạy cảm về cấu hình hay đồng vị.
Muon là “anh em họ” của electron, nặng hơn khoảng 200 lần. Chúng được sinh ra khi tia vũ trụ (những hạt năng lượng cao từ ngoài không gian) va chạm với tầng khí quyển của Trái Đất. Muon có khả năng xuyên thấu rất mạnh: có thể đi xuyên qua nhiều mét đá, bê tông hoặc kim loại – điều mà các bức xạ ion hóa khác khó đạt được. Ngoài ra, muon liên tục “rơi” xuống bề mặt Trái Đất một cách tự nhiên, vì vậy không cần tạo ra nguồn bức xạ nhân tạo, lợi thế lớn khi xét đến an toàn và chi phí. Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng muon không chỉ đơn thuần “vẽ” đường đi khi xuyên qua vật thể; trong một số trường hợp muon còn tương tác với hạt nhân của nguyên tử trong vật liệu, đặc biệt là trong các vật liệu nặng như uranium hoặc plutonium. Khi muon dừng lại trong vật liệu hạt nhân, hoặc khi chúng phát sinh bức xạ năng lượng lớn (bremsstrahlung) qua vật liệu nặng, neutron có thể được giải phóng. Những neutron này, nếu được phát hiện đồng bộ với đường đi của muon sẽ trở thành một “dấu vân tay” cho thấy có mặt vật liệu hạt nhân trong vùng quan sát. Đây chính là cơ sở của kỹ thuậtphát xạ neutron từ muon.
Để chứng minh nguyên lý, nhóm nghiên cứu tại Los Alamos sử dụng một thiết bị gọi là Mini Muon Tracker (MMT). Về cơ bản, MMT gồm hai module dò – một phía trên và một phía dưới – với hàng trăm ống dò sắp xếp theo các lớp để xác định đường đi của muon. Mỗi module gồm 6 lớp ống (với ba lớp theo trục X và ba lớp theo trục Y), tổng cộng trong hệ thống là 576 ống dò. Vật thể cần kiểm tra được đặt trong khoảng trống giữa hai module này, và từ các tọa độ/quỹ đạo muon đi qua, hệ thống có thể tái tạo ảnh kim tự tháp đường truyền hay các lớp vật liệu bên trong.
Trong thí nghiệm được báo cáo, mẫu thử là một khối lập phương uranium làm giàu thấp (low enriched uranium – LEU) nặng 19 kg (khoảng 19.7% 235U). Gần mẫu thử người ta đặt hai detector neutron loại EJ-301 (tương đương dạng scintillator lỏng) đường kính 12.5 cm và sâu 5 cm, khoảng 17.5 cm từ tâm khối uranium. Hệ thống còn dùng một bộ MPD-4 của Mesytec để phân tách xung (pulse shape discrimination – PSD), giúp phân biệt xung do neutron và do gamma; bộ này được hiệu chuẩn bằng nguồn 252Cf (phóng xạ phát neutron) và 137Cs (phát gamma). Có nhiều cách mà muon hoặc các thành phần khác của tia vũ trụ có thể dẫn tới neutron được phát xạ từ một vật liệu nặng:
– Photoneutrons: Khi muon rất nhanh xuyên qua vật liệu nặng, chúng có thể sinh ra bức xạ bremstrahlung (photon năng lượng cao). Các photon này va chạm với hạt nhân nặng có thể giải phóng neutron tức thời (prompt photoneutron).
– Bắt muon (muon capture): Muon âm khi dừng lại trong nguyên tử có thể bị bắt vào quỹ đạo nguyên tử và sau đó bị hạt nhân bắt, chuyển đổi một proton thành neutron và giải phóng neutrino: μ⁻ + p → n + ν. Trước khi bị bắt, muon âm sẽ phát ra các tia X muonic rất năng lượng và thường có thời gian sống (muonic atom lifetime) phụ thuộc vào loại nguyên tử; ví dụ, các trạng thái muonic trong uranium có thời gian sống từng được đo là ~71.6 ns đối với 235U và ~77.2 ns đối với 238U.
– Phát xạ neutron từ muon: Nếu neutron sơ cấp tạo ra bởi muon hoặc photoneutron gây ra phản ứng phân hạch trong vật liệu phân hạch, sẽ xuất hiện chuỗi phân hạch nhỏ với nhiều neutron hơn, tạo nên một tín hiệu mạnh hơn và có phần trễ đặc trưng so với muon ban đầu.
– Spallation do proton: Thành phần hadronic của tia vũ trụ (như proton) chiếm một phần tỷ lệ nhỏ nhưng cũng có thể gây spallation, sinh neutron prompt tỉ lệ thuận với năng lượng proton đến.
Từ các cơ chế này, kỹ thuật làm việc dựa trên việc “gắn thẻ” (tag) các quỹ đạo muon bằng việc tìm kiếm neutron cùng thời gian: nếu một muon có đường đi hướng tới vùng chứa vật liệu phân hạch và có một neutron được phát hiện gần kề về thời gian, thì có xác suất cao rằng vật liệu đó là SNM (Special Nuclear Material). Các phép đo trong bài báo kéo dài 48 giờ. Trong khoảng thời gian này, MMT thu thập hàng tỷ sự kiện muon đi qua. Dữ liệu neutron từ hai detector EJ-301 được ghi đồng thời với dữ liệu quỹ đạo muon, và nhờ khả năng PSD của bộ MPD-4, các xung do neutron được tách khỏi xung do gamma. Sau đó các nhà phân tích xét các sự kiện có tính tương quan thời gian giữa thời điểm muon đi tới (hoặc dừng) và thời điểm neutron được phát hiện.
Một trong những kết quả thú vị là phân bố thời gian giữa muon và neutron đo thấy có một đuôi mpc (exponential tail) với hằng số thời gian khoảng 85 ± 3.3 ns đối với các quỹ đạo mà muon dừng trong khối LEU. Giá trị này tương đồng với thời gian sống các trạng thái muonic trong uranium được báo cáo trong các nghiên cứu trước đây và cho thấy phần lớn neutron có nguồn gốc từ quá trình bắt muon và fission sơ cấp/chuỗi fission. Đối với các quỹ đạo muon xuyên qua (through tracks), phân bố thời gian không có đuôi tương tự, điều đó phù hợp với cơ chế photoneutron ngắn hơn và không có quá trình bắt muon kéo dài.
Ngoài ra, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) trung bình trên toàn trường quan sát (~1.2 m × 1.2 m) được báo cáo là lớn hơn 100:1, mức đáng kể tín hiệu neutron của LEU vượt trội so với nền ngẫu nhiên. Hình ảnh dựng lại từ những quỹ đạo muon “được gắn thẻ” neutron có độ tin cậy tương đương với hình ảnh dựa trên phương pháp tán xạ (scattering), mặc dù vị trí và độ phân giải của hình ảnh neutron-tag kém hơn do số liệu nhỏ hơn. Cụ thể, tán xạ muon có thể cho một bức ảnh rõ ràng trong vài phút, trong khi phương pháp neutron-tag có thể phát hiện vật liệu phân hạch một cách rất đáng tin cậy trong khoảng một giờ; để có thể dựng được hình dạng chính xác của khối vật liệu thì cần tích lũy trong vài chục giờ. Điều này cho thấy có một lựa chọn thực tế: nếu mục tiêu chỉ là xác nhận sự hiện diện của vật liệu hạt nhân (ví dụ trong kịch bản kiểm chứng hiệp ước), thì một phép kiểm tra ngắn (khoảng một giờ) bằng muon + neutron có thể đạt mục tiêu mà không cần thu thập đủ dữ liệu để xác định chi tiết hình học hay lượng chính xác.
Ưu điểm so với các phương pháp truyền thống:
– Không cần nguồn bức xạ nhân tạo: Muon là “miễn phí” từ tự nhiên. Điều này giảm lo ngại về an toàn bức xạ cho nhân viên và công chúng.
– Xuyên thấu cao: Muon có thể đi xuyên qua nhiều mét vật liệu, cho phép phát hiện vật thể bị che phủ hoặc chôn sâu bên trong cấu trúc kim loại dày.
– Ghi nhãn “vật liệu phân hạch” mà không tiết lộ chi tiết: Kỹ thuật neutron-tag có thể xác nhận sự hiện diện của SNM mà không trực tiếp tiết lộ khối lượng, cấu hình bên trong hay độ làm giàu — điều rất quan trọng cho các kịch bản kiểm chứng hiệp ước, khi hai bên cần chứng minh sự hiện diện/không có mặt nhưng không muốn trao đổi bí mật chế tạo.
Thách thức và giới hạn: Không có phương pháp nào là hoàn hảo. Một số thách thức chính của kỹ thuật muon + neutron là:
– Thời gian đo: Muon tự nhiên có dòng chảy hạn chế; để có ảnh độ phân giải cao cần tích lũy trong thời gian dài (từ vài giờ đến vài chục giờ). Trong các tình huống cần kiểm tra nhanh, điều này là hạn chế so với X-quang công nghiệp mạnh.
– Không phân biệt đồng vị: Kỹ thuật cho biết có phản ứng fission hay neutron gain, nhưng không trực tiếp cho biết độ làm giàu hay tỉ lệ đồng vị (ví dụ 235U vs 238U) một cách chi tiết.
– Kích thước thiết bị và khả năng triển khai: Hệ thống MMT hiện tại khá cồng kềnh và cần vị trí cố định; để đưa công nghệ này vào cảng biển, sân bay hay hiện trường cần phát triển phiên bản gọn nhẹ, nhanh triển khai.
– Nhiễu từ các nguồn khác: Thành phần hadronic (proton) trong tia vũ trụ có thể tạo neutron spallation làm tăng nền nếu không tách rõ ràng, và các vật liệu xung quanh (moderator, reflector) có thể ảnh hưởng đến neutron gain, làm phức tạp mô hình giải thích dữ liệu.
Một trong những viễn cảnh của kỹ thuật này là “kiểm chứng hiệp ước giải trừ vũ khí”. Trong các cuộc đàm phán quốc tế, một bên có thể yêu cầu bên còn lại chứng minh rằng một đầu đạn hoặc bộ phận có chứa vật liệu phân hạch mà không yêu cầu bên kia mở đầu đạn hay tiết lộ thiết kế bên trong. Bằng cách giới hạn phép đo (ví dụ chỉ cho phép tích lũy trong một giờ), đôi bên có thể thiết kế một giao thức kiểm tra “zero-knowledge-like” (tức là chỉ xác minh sự hiện diện mà không lộ chi tiết) nhằm duy trì lòng tin mà vẫn bảo vệ bí mật công nghệ. Ngoài ra, ứng dụng cổ điển khác là “kiểm tra container và hàng hóa” ở cảng biển, đường biên giới hoặc sân bay, nơi công nghệ này có thể tăng cường khả năng phát hiện hàng buôn lậu chứa SNM mà không cần dùng bức xạ nhân tạo. Tuy nhiên, để ứng dụng thương mại rộng rãi cần tiếp tục giảm thời gian đo và thu gọn kích thước thiết bị.
Những tiến bộ về cảm biến, điện tử và thuật toán xử lý ảnh hứa hẹn rút ngắn thời gian đo và tăng độ phân giải. Các hướng nghiên cứu bổ trợ bao gồm:
– Cải tiến detector muon nhỏ gọn, nhẹ và tiêu tốn ít năng lượng hơn để dễ triển khai hiện trường.
– Kết hợp nhiều lớp detector neutron và kỹ thuật phân tầng thời gian để tách rõ nguồn neutron (prompt vs delayed) nhằm nâng cao độ tin cậy phân loại vật liệu.
– Sử dụng thuật toán học máy (machine learning) để phân tích mẫu tán xạ và tín hiệu neutron, rút gọn thời gian cần thu thập dữ liệu.
– Phát triển giao thức chính trị-kỹ thuật cho kiểm chứng hiệp ước, đảm bảo tính minh bạch giữa các bên trong khi vẫn bảo vệ bí mật quân sự. Lời kết: từ hạt muon đến an ninh toàn cầu.
Từ khóa: muon;
– CMD –
