Những cỗ máy đập vỡ nguyên tử

–

Cho đến cuối thế kỷ 19, người ta vẫn nghĩ rằng “nguyên tử” là phần tử nhỏ nhất của vật chất (bản thân tên gọi nguyên tử “atom” – không phân chia được) đã nói lên điều đó. Để tạo ra nhưng hạt nhỏ hơn nữa, phải “đập vỡ” được chúng. Muốn vậy, người ta phải có những cỗ máy đặc biệt, gọi là máy gia tốc, cung cấp cho chúng một năng lượng rất lớn do chuyển động ngày càng nhanh để các hạt va đập vào nhau và “vỡ” ra thành các mảnh. Cỗ máy đã tạo ra hạt Higgs là LHC của CERN làm ví dụ.

Cỗ máy lớn nhất thế giới

Máy gia tốc LHC.

LHC (Large Hadron Collider) là máy gia tốc hạt lớn nhất và mạnh nhất thế giới. Cỗ máy được chứa trong một đường hầm vòng tròn với chu vi 27km, nằm ở độ sâu từ 50 đến 175m dưới mặt đất. Đường kính hầm là 3,8m, đúc bằng bê tông, được xây dựng từ năm 1983 đến 1988. Phía trên mặt đất có rất nhiều thiết bị hỗ trợ như máy nén, quạt gió, các thiết bị điện tử điều khiển…

Đường hầm chứa LHC có hai đường dẫn tia hạt song song, giao nhau ở 4 điểm, mỗi đường dành cho một chùm proton, chuyển động ngược chiều nhau. Có 1.232 nam châm lưỡng cực giữ cho các chùm proton đi đúng đường tròn, và 392 nam châm tứ cực dùng để giữ các chùm proton luôn hội tụ nhằm tăng số lượng va chạm tại các điểm giao nhau đạt mức tối đa.

Tổng cộng có trên 1.600 khối nam châm siêu dẫn, khối lớn nhất nặng trên 27 tấn. 96 tấn heli lỏng được dùng để giữ các nam châm hoạt động ở nhiệt độ 1,9 độ K. Do vậy LHC là một thiết bị siêu lạnh lớn nhất thế giới.

Đầu tiên, các proton được đi qua một chuỗi hệ thống các máy gia tốc tuyến tính nhỏ để làm tăng dần năng lượng của chúng đến khi đạt 450 GeV (gigaelectron-volt) mới dẫn vào máy gia tốc chính có đường hầm hình vòng tròn nói trên.

Tại đây một hoặc hai lần một ngày, động năng của các chùm proton được gia tăng từ 450 GeV lên đến 7 TeV (teraelectrron-volt), từ trường của các nam châm siêu dẫn lưỡng cực được tăng từ 0,54 lên 8,3 tesla. Các proton ở mỗi đường dẫn có động năng đạt 7 TeV, nên năng lượng va chạm các hạt ngược chiều đạt 14 TeV. Ở mức năng lượng này, các proton chuyển động với vận tốc bằng 99,9999991% vận tốc ánh sáng. Mỗi giây chúng bay quanh đường hầm 11.000 vòng.

Không thể nhìn thấy trực tiếp các hạt, người ta phát hiện, theo dõi và nghiên cứu chúng qua những dấu vết chúng để lại trên những thiết bị gọi là detector.

Trong cỗ máy LHC có 6 bộ detector, đặt dưới mặt đất tại các giao điểm của trên đường chuyển động của các chùm proton ngược chiều. Hai trong số đó là ATLAS và CMS, mà trong thời gian vừa qua, tuy hoạt động độc lập song cùng phát hiện được boson Higgs với khối lượng và các tính chất khác khá trùng hợp.

Như vậy sau 16 năm kể từ ngày khởi công xây dựng, đến tháng 10/2010 LHC đã hoàn thành với tổng kinh phí là 11 tỷ đôla do các nước châu Âu đóng góp. Nơi đây có 10.000 nhà vật lý đến từ 85 nước trên thế giới đang làm việc. Sau 2 năm với lao động kiên trì của họ, LHC đã lập được một kỳ tích lớn mang tính đột phá lớn trong Vật lý học.

Tevatron là TeV

Bên trong máy gia tốc Tevatron.

Có lẽ cũng nên dành vài lời để nói đên cỗ máy về quy mô lớn thứ hai thế giới có cùng chức năng như LHC là Tevatron của Phòng thí nghiệm quốc gia Fermilab (Hoa Kỳ), đặt tại bang Illinois. Giống như LHC, Tevatron là máy gia tốc hạt vòng tròn, cung cấp năng lượng cho chùm proton bằng cách cho chúng chuyển động trong đường hầm chu vi 6,38 km để nâng động năng của chùm tia đạt 1 TeV (từ đó có tên cỗ máy là Tevatron).

Việc xây dựng hoàn tất vào năm 1983. Đầu tư cho Tevatron theo thời gian lúc đó chỉ là 120 triệu đôla, nhưng sau đó được nâng cấp liên tục trong thòi kỳ 1983-2011. Hiện nay, năng lượng của hạt đã nâng lên tới 950 GeV, tức xấp xỉ TeV như tên gọi.

Ngày 2/7, trước khi các nhà khoa học tại LHC công bố việc phát hiện ra hạt Higgs của mình (4/7), các nhà khoa học tại Tevatron (trong các phòng thí nghiệm CDF và DØ) đã công bố khi phân tích 500 nghìn tỷ va chạm xảy ra từ năm 2001 họ đã phát hiện sự tồn tại của hạt Higgs, có khối lượng trong khoảng 115 đến 135 GeV. Trong khi đó các nhà khoa học của LHC đã đưa ra con số chính xác là 125.3 ± 0.4 (CMS) hoặc 126 ± 0.4 (ATLAS).

Cỗ máy gia tốc hạt trong tương lai sẽ ra sao?

Tuy nhiên, ngay cả những cỗ máy “siêu hiện đại” nói trên cũng vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu của Cộng đồng Vật lý hạt. Một dự án “Máy gia tốc tuyến tính quốc tế” (International Linear Collider, viết tắt ILC) với sự hợp tác của nhiều quốc gia đang được gấp rút soạn thảo.

Theo dự kiến năng lượng va chạm ban đầu là 500 geV, sau đó sẽ nâng cấp lên 1000 GeV (tức 1 TeV). Chưa quyết định nước nào sẽ là nước chủ nhà song địa điểm để lựa chọn sẽ là Nhật, Châu Âu (CERN) và Mỹ (Fermilab).

Nhật được xem là ứng cử viên hàng đầu vì chính phủ Nhật cam kết sẽ đóng góp một nửa tổng kinh phí. Việc xây dựng sẽ được khởi công vào năm 2015 hoặc 2016 và hoàn thành trước năm 2016.

Trên máy ILC, hạt hạ nguyên tử để va đập vào nhau sẽ là electron và positron. Nếu như đường hầm của LHC và Tevatron là vòng tròn thì ở máy này là đường thẳng. Đường hầm dài từ 30 km đến 50 km.

Chi phí ước tính ban đầu là 6,75 tỷ đôla, nhưng Bộ năng lượng Mỹ nói tối thiểu sẽ là 20 tỷ đôla (còn Bộ trưởng năng lượng Mỹ Steven Chu – nhà vật lý Mỹ gốc Trung Quốc đã được giải Nobel – cho rằng tổng chi phí sẽ lên tới 25 tỷ đôla). Có lẽ đối với nhiều nước, số tiền này còn hơn GDP hàng năm của họ.

Đây mới thực sự là cỗ máy vĩ đại chưa từng có trong lịch sử khoa học. Qua các số liệu trên, chắc bạn đã hình dung để nghiên cứu vật lý cơ bản tốn kém như thế nào.

Ban Khoa học