Máy gia tốc và các nhà khoa học đoạt giải nobel

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:29

Thêm vào BST

Báo xấu

83
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'máy gia tốc và các nhà khoa học đoạt giải nobel', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Máy gia tốc và các nhà khoa học đoạt giải nobel

Máy gia t c và các nhà khoa h c o t gi i Nobel Sven Kullander T i sao l i là các máy gia t c ? Máy gia t c h t là d ng c t o ra các chùm ion hay electron năng lư ng tính s d ng cho nhi u m c ích khác nhau, là m t kính hi n vi c c kì chính xác. Như ã bi t, các v t có kích thư c dư i kích thư c c a m t t bào s ng ư c nghiên c u b ng kính hi n vi quang h c và các v t có kích thư c dư i kích thư c nguyên t ư c nghiên c u b ng kính hi n vi i n t . Các chi ti t v t th có th nhìn th y (phân gi i) ư c cho b i bư c sóng c a ánh sáng r i vào. thâm nh p ph n bên trong c a nguyên t và h t nhân, ngư i ta c n ph i s d ng các b c x có bư c sóng nh hơn nhi u so v i kích thư c nguyên t . Các nucleon (proton và neutron) bên trong h t nhân nguyên t có kích thư c ch ng 10-15 m và cách nhau nh ng kho ng cách vào cùng b c l n ó. Các electron quay xung quanh h t nhân nguyên t cũng như các quark bên trong nucleon có kích thư c, n u có, nh hơn 10-18 m; chúng có v gi ng như ch t i m. Vi c kh o sát các h t như electron và proton do các máy gia t c h t mang l i là c n thi t cho nghiên c u thành ph n nguyên t . Bư c sóng de Broglie c a m t h t kh o sát ch không ph i bư c sóng “vĩ mô” xác nh kích thư c v t t i thi u có th phân gi i ư c. Bư c sóng de Broglie t l ngh ch v i ng lư ng c a h t. Ví d , n u m t electron c n thi t có bư c sóng de Broglie so sánh ư c v i kích thư c nucleon, thì nó ph i có ng năng 1200 MeV ( i v i năng lư ng electron trên 10 MeV, ng năng t l v i ng lư ng) Năng lư ng này cao hơn vài nghìn l n năng lư ng tiêu bi u c a electron s d ng trong kính hi n vi i n t . ơn v MeV, tri u electron-volt, bi u th ng năng mà m t h t có i n tích ơn v thu ư c sau khi i qua m t th gi t m t tri u volt. Ngoài vi c c n thi t cho kính hi n vi h nguyên t c c kì chính xác, các h t phát ra t máy gia t c h t va ch m v i các h t bia có th d n t i s hình thành c a nh ng h t m i, chúng thu l y kh i lư ng c a chúng t năng lư ng va ch m theo công th c E = mc2. Như v y, b ng s chuy n hóa sang kh i lư ng c a ng năng dư th a trong m t va ch m mà các h t, ph n h t và nh ng h t kì l có th ư c t o ra. Các máy gia t c h t không ch c nh t là công c dùng cho kh o sát th gi i h nguyên t , mà còn ư c s d ng trong nhi u ng d ng khác như phân tích và bi n tính v t li u và quang ph h c, nh t là trong khoa h c môi trư ng. Kho ng phân n a s lư ng 15.000 máy gia t c h t trên th gi i ư c s d ng làm ngu n s n su t ion dùng cho bi n tính b m t và dùng cho kh 48 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
trùng và trùng h p. S ion hóa phát sinh khi các h t tích i n b d ng l i trong v t ch t thư ng ư c khai thác ví d trong ph u thu t b ng b c x và li u pháp i u tr ung thư. T i các b nh vi n, kho ng 5000 máy gia t c electron ư c s d ng cho m c ích này. Các máy gia t c còn t o ra các nguyên t phóng x dùng làm ch t ánh d u trong y khoa, sinh h c và khoa h c v t li u. Có t m quan tr ng ang tăng lên trong khoa h c v t li u là các máy gia t c ion và electron t o ra s lư ng phong phú neutron và photon trong m t ngư ng năng lư ng r ng. Các chùm photon hoàn toàn xác nh ch ng h n ang ư c tăng cư ng s d ng cho kĩ thu t in kh c ch t o các chi ti t r t nh c n thi t trong i n t h c. T bào s ng thư ng ư c nghiên c u b ng phương ti n là kính hi n vi quang h c thu nh n các photon tán x c a ánh sáng kh ki n. Các i tư ng kích thư c dư i micron như các thành ph n c a t bào s ng thư ng ư c nghiên c u b ng kính hi n vi i n t , trong ó các electron, thư ng ư c gia t c n vài trăm kilovolt, ư c s d ng b n ch m t i i tư ng và tán x kh i chúng. Các quark và lepton có th ư c nh n th c dư i kho ng cách 10-18 m b ng phương ti n h t phát ra t các máy gia t c kh ng l . Th ng kê toàn th gi i có kho ng 15.000 máy gia t c h t. S li u thu th p b i W. Scarf và W. Wiesczycka (xem U. Amaldi Europhysics News, 31/6/2000) Lo i S lư ng ng phóng ion và bi n tính b m t 7,000 Máy gia t c trong công nghi p 1,500 Máy gia t c trong nghiên c u phi h t nhân 1,000 X tr 5,000 S n su t ng v y khoa 200 © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 49
Li u pháp hadron 20 Ngu n b c x synchrotron 70 Nghiên c u v t lí h t nhân và h t cơ b n 110 Chi ti t hơn v các máy gia t c h t có th tìm ư c trong m t cu n sách xu t b n g n ây, Gi i thi u các máy gia t c h t, c a Edmund Wilson và do Nhà xu n b n i h c Oxford n hành năm 2001. L ch s Trong các máy gia t c h t u tiên, các h t ư c gia t c b ng m t hi u i n th cao t vào khe gi a cathode và anode (các i n c c). Nh ng d ng c này g i là ng tia cathode và ư c nghĩ ra vào cu i th k 19. S d ng ng tia cathode, tia X ã ư c phát hi n vào năm 1895 b i Wilhelm Conrad Röntgen, ngư i nh n gi i Nobel v t lí u tiên (năm 2001) cho khám phá này. Vào năm 1896, Joseph John Thomson nghiên c u b n ch t c a tia cathode tìm th y chúng tích i n và có m t t s i n tích trên kh i lư ng chính xác. Vi c khám phá ra h t cơ b n u tiên này, h t electron, ã ánh d u s b t u c a m t th i kì m i, k nguyên i n t vì th ư c khai sinh t năm 1896. Thomson ư c trao gi i Nobel năm 1906 cho công trình nghiên c u liên quan t i khám phá này. Máy gia t c ph bi n nh t ngày nay là ng tia cathode dùng trong các b hi n th truy n hình và máy tính. Bên trong ng, m t chùm electron, sau khi ư c gia t c n năng lư ng c c i lên t i 30.000 electron-volt, quét qua màn hình, chúng phát ra ánh sáng khi b electron ch m vào. Trong ph n ti p theo, các d ng c m t khe này cũng như kính hi n vi i n t không ư c c p t i. Các lo i máy gia t c khác nhau hi n có ã ư c phát minh ra trong kho ng th i gian g n b n th p k . Kho ng năm 1920, chi c máy gia t c h t hi u i n th cao u tiên g m hai i n c c t bên trong m t bình chân không có th gi t vào b c 100 kilovolt và ư c nghĩ ra và mang tên John Douglas Cockcroft và Ernest Thomas Sinton Walton. Cu i th p niên 1920, ngư i ta xu t s d ng hi u i n th bi n thiên theo th i gian t qua m t lo t khe. (Xem ph n bên dư i trong ph n nói v máy gia t c th ng) Các xu t gia t c các h t theo ki u l p i l p l i ã thúc y Ernest Orlando Lawrence i t i m t quan ni m m i cho vi c gia t c các h t. Trong cyclotron do ông phát minh, các h t ư c làm cho quay tròn trong m t t trư ng và i qua i l i cùng m t khe gia t c nhi u l n. Thay cho hi u i n th m t chi u, ngư i ta thi t t m t hi u i n th cao vào khe sao cho các h t ư c gia t c trong m t qu o xo n c theo ki u l p i l p l i. Sau phát minh ra nguyên lí cân b ng pha vào gi a nh ng năm 1940, hai lo i máy gia t c m i ã hình thành: máy gia t c th ng và synchrotron. Trong máy gia t c th ng, các khe ư c t d c theo m t ư ng th ng. Trong synchrotron, t trư ng tăng lên trong quá trình gia t c sao cho các h t chuy n ng trong các vòng v cơ b n là qu o không i. Trong các máy gia t c ki u này, các h t ư c gia t c theo ki u l p i l p l i và năng lư ng b h n ch b i kích thư c c a máy gia t c và không b h n ch b i hi u i n th t i a có th t t i. 50 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
Nhà phát minh ra cyclotron, Ernest Orlando Lawrence (bên trái), và h c trò c a ông, Edwin Mattison McMillan, m t trong hai nhà phát minh ra nguyên lí cân b ng pha, ch ra i m gia t c t i ch i vào m t c u trúc i n c c che ch n hình n a vòng tròn, Cyclotron u tiên ư c xây d ng t năm 1929 n 1931. Máy gia t c th gi t ng chân không electron, phát minh ra vào cu i th k 19, ư c s d ng trong khám phá ra electron và tia X. Các electron ư c gia t c trong chân không gi a hai i n c c, cathode và anode. Không khí áp su t khí quy n s làm gi m t c các h t do va ch m c a electron v i các phân t không khí. ng chân không là ti n thân cho các máy gia t c hi u i n th cao sau này. Như ã nói t i trên, máy gia t c h t hi u i n th cao u tiên có th gi t vào b c 100 kilovolt và ư c sáng ch và mang tên là Máy gia t c Cockcroft Walton, t theo tên John Douglas Cockcroft và Ernest Thomas Sinton Walton. Vào năm 1951, h ã giành ư c gi i thư ng Nobel v t lí cho nghiên c u tiên phong c a h v s bi n i c a h t nhân nguyên t do các h t nguyên t ư c gia t c nhân t o gây ra. Máy gia t c th gi t ph bi n nh t trong s d ng ngày nay ư c t theo tên ngư i phát minh ra nó, nhà khoa h c ngư i Mĩ Robert Jemison Van de Graff. i n c c i n th cao n i v i i n c c i n th th p (trái t) b ng m t dây cuaroa cách i n chuy n ng. i n tích ư c ưa vào dây cuaroa t i u th th p và truy n n c c kia b ng m t màn ch n d n i n trư t trên dây cuaroa. Th trên i n c c ó tăng lên cho n khi dòng i n rò t i n c c ra xung quanh b ng v i dòng i n do dây cuaroa cung c p. Thông thư ng, i n c c và ng ư c t bên trong m t thùng ch a khí SF6 áp su t cao làm tăng s cách i n gi a i n c c i n th cao và trái t. Hi u i n th ư c chia thành t ng n c và áp vào các i n c c t k ti p nhau bên trong m t ng chân không, nơi electron ho c ion ư c gia t c. Electron thu ư c t s i dây nóng lên và ion t s phóng i n khí x y ra t i cathode. M t vài microampe thu c electron hay ion có th gia t c trong máy gia t c van de Graff. Trong lo i hi n i cùng cho ion, các i n c c t i ngõ vào và ngõ ra c a ng chân không in th t, còn i n c c i n th cao t gi a ng. Trong m t th tích nh t i ngõ vào c a ng, ch t khí b ion, thư ng do s phóng i n, và t th tích này, các ion tích i n âm ư c trích ra. Các ion này ư c gia t c bên trong ng v phía i n c c i n th cao, nơi hai hay nhi u electron b l y kh i t ng ion khi nó i qua m t lá kim lo i r t m ng hay m t vùng ch a y ch t khí. i n tích c a ion vì th b bi n i t âm sang dương, và ion b y kh i i n c c và b gia t c v phía ngõ ra c a ng n i t. So v i máy gia t c van de Graff thu c lo i bình thư ng, v i m t © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 51
“khe” gia t c, các h t năng lư ng cao hơn có th thu ư c vì th gi t khai thác hai khe. Vì th máy gia t c thu c lo i này ư c g i tên là “máy gia t c tu n t ”. Ngày nay, a s máy gia t c van de Graff là nh ng d ng c thương m i và chúng có trên th trư ng v i hi u i n th c c bi n thiên t 1 n 25 tri u volt (MV). Thông thư ng thì chúng có hi u i n th dư i 10 MV. so sánh, các xung ng n dùng trong nghiên c u sét t t i 10 MV và i n th trong các ám mây ngay trư c khi chúng phóng i n dư i d ng sét là vào kho ng 200 MV. Máy gia t c van de Graff thư ng ư c s d ng trong phân tích và bi n tính v t li u, và phép phân tích ph kh i máy gia t c, nh t là trong khoa h c môi trư ng. Hình v cho th y nguyên lí c a máy gia t c tu n t van de Graff. Các ion tích i n âm phát ra t ngu n ion in th t ư c gia t c v phía m t i n c c i n th dương cao t i chính gi a, t i ó ch t khí ho c m t lá kim lo i m ng tư c m t hai hay nhi u electron kh i các ion, khi ó chúng tr nên tích i n dương và b y v phía i n c c n i t (V = 0). i n tích ư c truy n trên m t dây cuaroa t t t i i n c c và là h qu c a s bi n i i n tích, i n th tăng lên. i n th cao (V = 5 MV) ư c cách li v i t b ng ch t khí áp su t cao, thư ng là SF6. M t trong các máy gia t c tu n t l n nh t ư c s d ng trong nhi u năm t i Daresbury Anh. ng gia t c c a nó, t th ng ng, dài 42 m và i n chính gi a ư c gi i n th lên t i 20 tri u volt. Cyclotron Nguyên lí gia t c tu n t ư c nghĩ ra trong th p niên 1920 là m t n n t ng quan tr ng trong cu c truy tìm các năng lư ng ngày càng cao. Theo nguyên lí này, s gia t c thu ư c b ng phương ti n là hi u i n th bi n thiên theo th i gian thay cho hi u i n th tĩnh s d ng trong các máy gia t c ví d như máy gia t c van de Graff. Máy gia t c u tiên có t m quan tr ng th c ti n d a trên nguyên lí gia t c tu n t là cyclotron, do Ernest Orlando Lawrence phát minh ra. Trong cyclotron, các h t tích i n quay tròn trong m t t trư ng m nh và ư c gia t c b ng i n trư ng t i m t hay nhi u khe. Sau khi 52 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
i qua m t khe, các h t chuy n ng bên trong m t i n c c và ư c che ch n kh i i n trư ng. Khi các h t i ra kh i khu v c ư c che ch n và i vào khe ti p theo, pha c a hi u i n th xoay chi u thay i 180 sao cho các h t ư c gia t c l n n a. Quá trình c th ti p t c. Sau nhi u vòng gia t c, k t qu là m t qu o xo n c m ra phía ngoài, các h t quay tròn g n ranh gi i c a t trư ng m nh. ây, t trư ng có hình d ng sao cho chùm h t quay tròn có th i ra và hình thành vào chùm tia bên ngoài. Lawrence ư c trao gi i Nobel v t lí năm 1939 cho vi c phát minh và phát tri n cyclotron và cho nh ng k t qu thu ư c v i nó, nh t là ghi nh n nghiên c u c a ông v các nguyên t phóng x t nhiên. châu Âu, ba nhà khoa h c o t gi i Nobel, Frédéric Joliot, Niels Henrik David Bohr và Karl Manne Georg Siegbahn ã có óng góp l n cho nh ng cyclotron u tiên. Năm 1938, cyclotron châu Âu u tiên t i Collège de France Paris gia t c m t chùm deuteron lên t i 4 MeV và khi va ch m vào bia, m t ngu n neutron m nh ư c t o ra. Kho ng cùng th i gian ó, cyclotron Copenhagen t i Vi n Niels Bohr ã s n sàng và Stockholm, nghiên c u kh i ng vi c xây d ng máy gia t c Th y i n u tiên ã s n sàng kho ng năm 1940. M t v n nghiêm tr ng v i các cyclotron u tiên h n ch năng lư ng kho ng 10 MeV i v i s gia t c proton. H n ch này ph thu c vào vi c làm ch m các proton ang quay trong t trư ng u do s tăng kh i lư ng tương i tính c a chúng, hay năng lư ng toàn ph n tương ương. Kh i lư ng ngh c a proton ng v i năng lư ng 938 MeV và s n sàng sau khi gia t c n ng năng 10 MeV, thì t n s quay c a proton, i lư ng t l ngh ch v i năng lư ng toàn ph n c a nó (938 + 10), gi m i m t ph n trăm. Khi t n s quay proton và t n s i n b ng nhau lúc b t u chu trình gia t c, thì không có s l ch pha và proton ư c gia t c v i cùng hi u i n th gia t c t i m i khe. Tuy nhiên, khi các proton thu năng lư ng và gi m d n t n s quay c a chúng, chúng s i t i m i khe càng lúc càng tr hơn i v i c c i c a hi u i n th gia t c có t n s c nh. Sau khi pha b l ch nhi u quá thì không còn có s thu năng lư ng khi i qua khe. Nguyên lí c a cyclotron. S ion hóa ch t khí ư c gi i h n vùng gi a mang l i các ion ư c gia t c b ng m t hi u i n th có t n s c nh b ng t n s quay ion trong t trư ng. Các ư ng s c t hư ng th ng v phía c c nam châm bên dư i ng ý các i n tích dương quay tròn theo chi u kim ng h . Các ion ư c gia t c khi chúng chuy n ng qua khe gi a các i n c c bên trong ó chúng chuy n ng che ch n kh i i n trư ng. Khi chùm ion i t i rìa t trư ng, nó ư c trích ra kh i cyclotron và hình thành chùm ngoài. © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 53
Cyclotron không có ích cho vi c gia t c electron vì t n s quay c a chúng trong t trư ng gi m khá nhanh ngay c khi năng lư ng th p c vài MeV do kh i lư ng ngh nh c a electron. Kh i lư ng ngh c a electron tương ng v i năng lư ng ngh 0,511 MeV theo công th cEinstein E = mc2. M t bi n th c a cyclotron là microtron, trong ó các electron ư c gia t c t i m t khe t i rìa c a qu o. T n s c a hi u i n th gia t c là b i c a t n s quay c a electron. Các qu o tròn m r ng d n ti p tuy n và ti p xúc nhau v i nhau t i i m t khe gia t c. S gia năng lư ng trên m i vòng quay ư c thi t k sao cho th i gian tăng lên trong m t vòng quay hoàn ch nh c a m t electron do s ch m d n t n s quay c a nó tương ng v i m t hay nhi u chu kì t n s i n t i khe gia t c. Uppsala, Th y i n, m t cyclotron gia t c proton lên 185 MeV và các ion khác lên n năng lư ng tương ương. Chùm h t ư c gia t c bên trong bình chân không nhìn th y n m bên dư i cu n dây (màu xám) c a nam châm n ng 600 t n (màu vàng). Chùm h t ư c v n t i t i khu v c thí nghi m trong ng hư ng v phía góc dư i bên trái trong hình. Synchrocylotron Nh m kh c ph c h n ch năng lư ng c a cyclotron, nguyên lí cân b ng pha ã ư c phát minh và ch ng minh vào năm 1944/45. Các nhà phát minh là Vladimir Iosifovich Veksler t i Liên Vi n nghiên c u H t nhân Dubna, m t trung tâm nghiên c u qu c t cách Moscow 100 km v phía b c, và Edwin Mattison McMillan, m t c u sinh viên c a Lawrence, t i ihc California Berkeley. H ã ch ra, c l p v i nhau, r ng khi i u ch nh t n s c a hi u i n th t vào làm gi m t n s quay proton, ngư i ta có th gia t c proton lên vài trăm MeV. Cyclotron s d ng s gia t c ng b b ng cách i u bi n t n s (FM) thư ng ư c g i là synchrocyclotron hay FM cyclotron. Edwin Mattison McMillan nh n gi i Nobel hóa h c năm 1951 cùng v i Glenn Theodore Seaborg cho vi c khám phá ra nguyên t neptunium. M t ngư i o t gi i Nobel hóa h c khác, Theodor Svedberg, ã xu t vào gi a nh ng năm 1940 m t máy gia t c xây d ng Uppsala. ư c khích l b i công trình Berkeley, ngư i ta quy t nh xây d ng m t synchrocyclotron. Năm 1950, các proton 185 MeV ã ư c t o ra và Uppsala trong phút ch c ã có các h t năng lư ng cao nh t Tây Âu. Năm 1957, phương pháp 54 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
tr b nh ung thư u tiên ư c tiên phong th nghi m. Máy gia t c khi ó ã ư c xây d ng l i và ho t ng, k t năm 1986, là thi t b lai synchrocyclotron-cyclotron cung t p trung. Vi c khám phá ra nguyên lí cân b ng pha ng ý r ng, v nguyên t c, không có gi i h n năng lư ng nào cho s gia t c h t. Nó ã t n n t ng cho hai lo i máy gia t c m i, máy gia t c th ng và synchrotron. Synchrocyclotron l n nh t v n ang s d ng t a l c Gatchina, ngo i vi St Petersburg,và nó gia t c proton lên t i ng năng 1000 MeV. Các c c s t ư ng kính 6 m toàn b máy gia t c n ng 10.000 t n, tr ng lư ng tương ương v i Tháp Eiffel. Năng lư ng thu ư c tương ng v i năng lư ng c a m t proton gia t c qua hi u i n th m t t volt. Nó ư c dùng cho các thí nghi m v t lí h t nhân và các ng d ng y khoa. Cyclotron cung t p trung Vào u nh ng năm 1960, cyclotron cung t p trung xu t hi n. Các cung s t ư c ưa vào khe c c sao cho thu ư c s bi n thiên góc phương v c a t trư ng. S bi n thiên góc phương v này mang l i s t p trung m nh theo phương th ng ng lên chùm ion ang quay tròn khi ó không c n thi t có trư ng trung bình phương v gi m theo bán kính tăng d n như ph i có trong cyclotron truy n th ng duy trì s t p trung theo phương th ng ng. Vì th , t trư ng trung bình là hàm c a bán kính, có th tăng sao cho t n s quay c a ion v n gi không i b t ch p s tăng kh i lư ng c a ion ang tăng t c. S phân kì d c phát sinh do s tăng t trư ng trung bình theo bán kính ư c bù l i b i s t p trung d c do s bi n thiên góc phương v c a t trư ng. T n s c a hi u i n th gia t c, do ó, có th gi không i trong khi duy trì s gia t c u n t i m i l n i qua khe; năng lư ng ch b gi i h n b i kích thư c c a nam châm. Cyclotron cung t p trung ôi khi còn ư c g i là cyclotron sóng liên t c (CW), hay cyclotron ng th i, phân bi t nó v i cyclotron i u bi n t n s (FM) hay synchrocyclotron. Nhi u cyclotron cung t p trung hi n ang ho t ng và chúng thay th cho các synchrocyclotron a s ã ng ng ho t ng. Không ch có proton mà, v nguyên t c, b t kì ion nào cũng gia t c ư c. Các ngu n ion, chúng t o ra ion thu c b t kì nguyên t th c t nào trong b ng tu n hoàn hóa h c, hi n nay có bán trên th trư ng. S c h p d n c bi t cho vi c gia t c proton trong ngư ng 200 n 600 MeV là cyclotron cung c l p, chúng g m m t s cung s t, thay cho các c c s t thông d ng v i các cung g n vào nó. Cyclotron cung c l p có 4 cung nam châm, t t i T h p Cyclotron i h c Indiana Bloomington, Indiana, Mĩ, và t i Trung tâm Máy gia t c Qu c gia, Faure, Nam Phi. Các máy © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 55
gia t c có 6 cung ho t ng t i Trung tâm Nghiên c u V t lí H t nhân Osaka và t i Vi n Paul Scherer Th y Sĩ Villigen. Cũng ph i nh c t i ây là T h p Meson i h c Ba bang - Vancouver , có 8 cung và cung c p ion H 600 MeV. Cyclotron là công c nghiên c u quan tr ng trong v t lí h t nhân và thư ng ư c dùng cho vi c s n su t các h t nhân phóng x trong y khoa và công nghi p. Cyclotron còn cung c p các chùm tia cho ph u thu t và li u pháp b c x và ví d cyclotron Nam Phi, là thi t b l n dùng cho các ng d ng y khoa. Các t h p cyclotron l n dành cho i u tr ung thư ang xu t hi n nhi u nơi, nh t là Nh t. Các cyclotron nh c n thi t cho vi c s n su t các h t phóng x dùng cho nh ng m c ích khác nhau, m t trong s ó là dùng làm ch t ánh d u cho phép n i soi phát x positron (PET), m t kĩ thu t l p b n ch c năng c a cơ th ngư i. Cyclotron cung cl p Vancouver, cung c p các ion hydrogen âm 600 MeV và nó là cyclotron l n nh t. Hình ch p cho th y khe bên trong nơi gia t c ion. Synchrotron Hai lo i máy gia t c khác d a trên nguyên lí gia t c tu n t , synchrotron và máy gia t c th ng, th t quan tr ng trong nghiên c u v t lí h t cơ b n, nơi c n năng lư ng các h t cao nh t có th có. Trong synchrotron, các h t ư c gia t c theo m t qu o hình vòng và t trư ng, b cong các h t, tăng theo th i gian sao cho qu o không i ư c duy trì trong quá trình gia t c. Hai synchrotron proton l n nh t, t i CERN, phòng thí nghi m v t lí năng lư ng cao c a châu Âu g n Geneva, và t i Fermilab g n Chicago, hi n v n còn ho t ng k t gi a th p niên 1970. Chúng gia t c proton tương ng lên 450 và 1000 GeV (xem thêm ph n bên dư i v các máy va ch m) và l p t trong nh ng t ng h m tròn, dài 6,9 và 6,3 km (1 GeV = 1000 MeV). Các proton năng lư ng cao như th không th t o ra trong m t cyclotron hay synchrotron. M t c c nam châm s t v i chu vi 6,9 km là m t hi n th c xa v i. S thu n ti n c a t trư ng bi n thiên theo th i gian là rõ ràng. Khái ni m synchrotron hình như ã ư c xu t l n u tiên vào năm 1943 b i nhà v t lí ngư i Australia Mark Oliphant. Mu n hơn m t chút, Edwin M. McMillan Berkeley xu t, khi ông công b nguyên lí cân b ng pha, m t máy gia t c v i t trư ng bi n thiên. B ng ch ng th c nghi m u tiên c a khái ni m synchrotron x y ra vào năm 1946 t i Phòng Nghiên c u Malvern Anh. 56 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
Nh ng synchrotron u tiên thu c lo i g i là lo i h i t y u. S t d c c a các h t quay tròn thu ư c b ng cách nghiêng t trư ng, t trong ra thành t ngoài vào bán kính. T i b t kì m t th i i m cho trư c nào trong th i gian, t trư ng th ng ng trung bình ch u trong m t chu kì h t là l n hơn i v i bán kính cong nh hơn. Synchrotron u tiên thu c lo i này là Cosmotron t i Phòng thí nghi m qu c gia Brookhaven, Long Island. Nó b t u ho t ng vào năm 1952 và cung c p proton có năng lư ng lên t i 3 GeV. Năm 1960, các sychrotron thu c lo i h i t y u i vào ho t ng là synchrotron 1 GeV t i i h c Birmingham, Bevatron 6 GeV t i Phòng thí nghi m b c x Lawrence Berkeley, California, Mĩ, Synchrophasotron 10 GeV t i Dubna, Nga, và Saturne 3 GeV t i Saclay, Gif sur Yvette, Pháp. T trư ng tiêu bi u bi n i t 0,02 tesla năng lư ng ưa vào, m t vài MeV, lên t i kho ng 1,5 tesla năng lư ng cu i cùng. Nh ng synchrotron này thư ng gia t c 1011 proton trong m t xung thư ng ng n hơn nhi u so v i m t giây. Các xung cách nhau vài ba giây. Vào u nh ng năm 1960, synchrotron h i t y u năng lư ng cao nh t c a th gi i, Zero Gradient Synchrotron (ZGS) 12,5 GeV, b t u ho t ng t i Phòng thí nghi m qu c gia Argonne g n Chicago, Mĩ. Nh ng synchrotron ban u là nh ng d ng c hùng vĩ. Synchrotron Dubna, l n nh t trong s chúng v i bán kính 28 m và tr ng lư ng c a nam châm s t 36.000 t n là cái duy nh t v n còn ho t ng trong s các máy gia t c bu i u này. Nó hi m khi ư c s d ng và có th xem là m t ài k ni m c a th i kì phát tri n này. Năm 1952, Ernest D. Courant, Milton Stanley Livingston và Hartland S. Snyder, xu t m t k ho ch cho s t p trung m nh c a chùm h t quay tròn sao cho kích thư c c a nó có th làm cho nh hơn trong m t synchrotron t p trung y u. Trong k ho ch này, nam châm b cong có gradient t trư ng xen k ; sau m t nam châm có thành ph n t trư ng tr c gi m khi bán kính tăng lên là m t nam châm có thành ph n trư ng ó tăng lên khi bán kính tăng lên, và c th . Theo cách này, nam châm làm phân kì chùm tia theo phương th ng ng ư c theo sau là m t nam châm làm h i t chùm tia theo phương ng. Như v y, gi ng như trong quang h c, nơi m t th u kính phân kì và m t th u kính h i t k t h p v i nhau mang l i s h i t , m t s h i t toàn ph n m nh thu ư c trong m t synchrotron gradient xen k . Nh s t p trung m nh, kh u nam châm có th làm cho nh hơn và do ó c n ít s t hơn so v i trong m t synchrotron t p trung y u có năng lư ng tương ương. Synchrotron gradient xen k u tiên gia t c các electron lên 1,5 GeV. Nó ư c xây d ng t i i h c Cornell, Ithaca, New York, và hoàn thành vào năm 1954. S gia t c trư c ư c th c hi n trong m t máy gia t c van de Graff 2 MeV và sau khi ưa vào năng lư ng này, t trư ng c a nam châm vòng là 0,002 tesla. S gia t c lên 1,5 GeV ư c th c hi n trong 0,01 giây và trong th i gian này, t trư ng nam châm tăng lên 1,35 tesla. Năm 1958, synchrotron electron t p trung m nh u tiên c a châu Âu (500 MeV) b t u ho t ng Bonn. Nó ư c phát tri n và xây d ng dư i s ch o c a Wolfgang Paul, ngư i o t gi i Nobel v t lí năm 1989 cho s phát tri n c a ông v kĩ thu t b y ion. Các synhrotron electron khác thu c lo i gradient xen k vào u nh ng năm 1960 t a l c Hamburg (6 GeV), Harvar-MIT, Cambridge (6 GeV) và t i i h c Tokyo (1,3 GeV). © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 57
Không bao lâu sau phát minh ra nguyên lí t p trung gradient xen k , vi c xây d ng hai synchrotron r t l n g n như gi ng h t nhau, cho n nay v n còn ho t ng, kh i ng t i phòng thí nghi m CERN châu Âu Geneva và Phòng thí nghi m qu c gia Brookhaven trên o Long Island, New York. T i CERN, các proton ư c gia t c lên 28 GeV và t i Brookhaven lên 33 GeV. Synchrotron proton CERN (PS) b t u ho t ng năm 1959 và Brookhaven PS ho t ng năm 1960. Vào th p niên 1960, Brookhaven PS là m nh nh t trong s t t c các máy gia t c và m t s con s th c hi n có l th t h p d n. Nó có m t máy gia t c th ng làm b ph n bơm và năng lư ng ưa vào là 50 MeV. Các proton ư c gia t c trong 12 tr m gia t c t d c theo chu vi c a synchrotron. Trong th i gian gia t c kho ng m t giây, t trư ng c a nam châm b cong chùm tia tăng t 0,012 lên 1,3 tesla. i u này cho th y m t s thay i r t l n c a năng lư ng d tr khi xét t i vòng dài 800 m ch a y các nam châm có t ng tr ng lư ng 4.000 t n. Cư ng tiêu 11 bi u là 10 proton m i xung l p l i m i giây th ba. Ngày nay, cư ng chùm h t l n hơn hai bc l n. Danh sách các synchrotron hi n ang s d ng có th tìm th y, ví d , qua trang ch c a CERN. Các h t sinh ra trong s va ch m gi a m t chùm ion hay electron v i bia có th hình thành nh ng chùm th c p tìm th y nhi u ng d ng trong khoa h c và công ngh . Chúng ta có th phân bi t các chùm h t có th i gian s ng ng n như meson hay muon v i các chùm h t có th i gian s ng lâu, như photon, neutrino, positron, neutron và ph n proton. M t s trong nh ng h t có th i gian s ng ng n có th truy n i nh ng kho ng cách xa vì, theo lí thuy t tương i, th i gian b ch m i m t v t chuy n ng g n v n t c ánh sáng. Ví d , trong h quy chi u ngh riêng c a chúng, meson pi có th i gian s ng 2,6 x 10-8 s và trong th i gian này chúng truy n i kho ng cách t i a là 8 m n u chúng chuy n ng v i t c ánh sáng. Meson pi, có s n t i các synchrotron proton l n nh t ngày nay, nó năng lư ng vư t quá năng lư ng ngh c a chúng, 140 MeV, g p 1.000 l n. Vì th , th i gian s ng c a chúng tăng lên cùng h s ó và chúng có th truy n i, trung bình, 8 km trong th i gian s ng c a chúng. Th c t này là b ng ch ng p c a lí thuy t tương i và làm cho có th hình thành các chùm meson pi, meson K và muon năng lư ng cao và ưa chúng n khu v c thí nghi m. Cùng v i các chùm h t b n th c p như neutrino, photon, ph n proton và neutron, các chùm th c p ó hình thành nên cơ s cho các chương trình nghiên c u v t lí bia c nh m r ng, nh t là t i các synchrotron l n t i CERN, Brookhaven, Serpukhov (Nga) và Fermilab trong nh ng năm 1960 và 1970. a s các h t sơ c p sinh ra trong các máy gia t c. Các h t th c p ư c t o ra trong tương tác c a các h t sơ c p v i v t ch t. ơn v cho năng lư ng ngh là MeV và cho th i gian s ng là giây. Ht Kí hi u i n tích Năng lư ng ngh [MeV] Th i gian s ng [s] Sơ c p: neutron n 0 939.6 889 >3x1038 proton p +1 938.3 >3x1038 deuteron d +1 1875 58 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
>3x1038 triton t +1 2809 >3x1038 alpha +2 3727 >3x1038 Ion n ng A +92 931A >6x1029 electron e -1 0.511 Th c p: Photon tia X X 0 0 Bn Photon tia gamma 0 0 Bn 2.6x10-8 Meson pi ±1 139.6 1.2x10-8 Meson K ±1 494 2.2x10-6 muon ±1 106 neutrino 0 5x103 positron +1 0.511 >4x105 Ph n proton -1 938.3 Các nam châm ư c thi t k c bi t dùng cho vi c t p trung các chùm h t. M t b ph n h i t ơn gi n là m t nam châm t c c. Nó có b n c c s t và t trư ng ư c kích b ng dòng i n trong các cu n dây xung quanh. Có hai c c b c nhìn i di n nhau và m i trong s chúng lân c n v i các c c nam. T trư ng b ng không t i tr c chính gi a và nó tăng tuy n tính theo kho ng cách tăng d n tính t tr c gi a. M t nam châm t c c mang l i s t p trung trong m t m t ph ng, ví d m t ph ng x-z, và s phân kì m t m t ph ng khác m t ph ng y-z. Gi s hư ng z th ng hàng v i hư ng chùm tia. Như trong quang h c, nơi s k t h p c a m t th u kính h i t và m t th u kính phân kì có th mang l i s h i t chung, m t c p hai nam châm t c c có th ư c thi t k mang l i s h i t chung c m t ph ng x-z và y-z. © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 59
Nguyên t c synchrotron. Các h t ư c gia t c d c theo m t hành trình hình vòng. Các nam châm, c n thi t cho vi c b cong và h i t , t xung quanh qu o h t. T trư ng ư c i u ch nh trong quá trình gia t c t giá tr th p lên cao, phù h p v i năng lư ng tăng d n c a h t, sao cho qu o v cơ b n v n gi không i. Các h t ư c gia t c b ng hi u i n th cao qua m t ho c vài khe d c theo chu tuy n. Bên trong ư ng h m dài 6,9 km c a siêu proton synchrotron CERN 450 GeV. Các nam châm màu xanh làm h i t , và các nam châm màu b cong các h t. nh ch p toàn c nh phòng thí nghi m CERN n m gi a sân bay Geneva và dãy núi Jura. Các vòng tròn ch v trí c a các máy gia t c SPS và LEP t trong các ư ng h m dư i t. Sau khi máy gia t c LEP ng ng ho t ng h i cu i năm 2000, nó ã b tháo g và Máy Va ch m Hadron L n (LHC) hi n ang ư c l p t trong ư ng h m dài 27 km. Máy gia t c th ng Năm 1924, ngư i Th y i n G. Ising xu t r ng năng lư ng t i a có th t o ra b ng cách thay th khe ơn gi hi u i n th m t chi u b ng vi c t d c theo m t ư ng th ng vài 60 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
i n c c hình tr n i ti p nhau gi hi u i n th d ng xung. Ngư i Na Uy Rolf Wideröe nh n ra r ng, n u pha c a hi u i n th luân phiên bi n i 180 trong hành trình c a h t gi a các khe, thì h t có th thu năng lư ng trong t ng khe. D a trên ý tư ng này, ông ã xây d ng m t máy gia t c ba giai o n cho các ion natri. Ý tư ng v máy gia t c th ng ã ra i. Các h t ư c gia t c trong nh ng khe nh và gi a các khe chúng chuy n ng bên trong các i n c c hình tr ư c che ch n. M t phiên b n c i ti n c a máy gia t c th ng ã ư c hình thành vài năm sau ó b i Luis Walter Alvarez, ngư i ã làm phát hi u i n th xoay chi u theo cách khác; các sóng ng t n s vô tuy n bên trong các h p hình tr . Nh ng cái g i là c u trúc Alvarez này v n ư c s d ng cho gia t c ion. Alvarez ư c trao gi i Nobel v t lí năm 1968 vì nh ng óng góp có tính quy t nh c a ông cho n n v t lí h t cơ b n. Nh ng xu t ban u này không th c ti n i v i vi c gia t c h t, và mãi cho n sau Th chi n th hai thì s phát tri n c a máy gia t c electron m i th t s b t u. T s phát tri n c a các h radar, các sóng d n ã xu t hi n có th dùng cho máy gia t c th ng sóng truy n. Trong máy gia t c này, các sóng i n t truy n v phía trong máy gia t c v i t c ánh sáng và các electron, cũng chuy n ng r t g n t c ánh sáng, ư c gia t c u n t ng bư c v i sóng ó tương t như lư t trên m t con sóng i dương. i v i các m c ích khoa h c, hi n nay có kho ng 1.300 máy gia t c th ng cho electron và positron và kho ng 50 máy cho ion, k c proton. Chúng bao quát m t ngư ng năng lư ng r ng t vài MeV n 52 GeV i v i máy gia t c th ng electron l n nh t t t i Trung tâm Máy gia t c th ng Stanford (SLAC). Los Alamos, m t máy gia t c th ng proton gia t c proton lên 800 MeV trên kho ng cách 800 m. Máy gia t c này là trái tim c a T h p V t lí Meson Los Alamos (LAMPF) và nó là máy gia t c th ng proton l n nh t th gi i. Nhi u máy gia t c th ng ư c s d ng làm máy bơm h t cho synhrotron. Ngoài các máy gia t c khoa h c, còn có hàng nghìn máy gia t c th ng nh dùng t i các b nh vi n cho phép i u tr ung thư. Máy gia t c th ng dài 3 km t i Stanford © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 61
Nguyên t c ho t ng c a máy gia t c th ng. R t nhi u i n c c cách nhau b i nh ng khe nh và t d c theo m t ư ng th ng. Không có t trư ng làm thay i hư ng c a h t ư c gia t c. Khi các h t chuy n ng bên trong vùng trư ng t do c a m t i n c c cho trư c, hư ng c a i n trư ng gia t c ư c o sao cho các h t luôn luôn ư c gia t c trong các khe gi a các i n c c. Electron Electron ư c gia t c trong các khe ơn ã hơn 100 năm. Các ng tia X và kính hi n vi i n t là lo i ph bi n c a máy gia t c khe ơn dùng cho nhi u ng d ng a d ng. M t máy gia t c quen thu c v i t t c chúng ta, t bên trong máy thu hình c a chúng ta, trong ó các electron ư c gia t c lên hi u i n th 30 kilovolt. Các máy gia t c th ng electron nh v i năng lư ng kho ng ch c MeV r t thông d ng trong các b nh vi n dùng cho s n su t các lu ng tia X m nh cho i u tr ung thư. Các electron năng lư ng cao ư c gia t c trong máy gia t c th ng và trong synchrotron. Nghiên c u tiên phong ư c th c hi n vào u nh ng năm 1960 Stanford v s phát tri n c a máy gia t c electron dư i s lãnh o c a Burton Richter. Vào lúc y, kích thư c c a h t nhân nguyên t ã o ư c Stanford b ng cách làm tán x các electron có năng lư ng lên t i 1 GeV t m t máy gia t c th ng dài 100 m. V i Richter là nhà khoa h c ch o, vi c xây d ng m t máy gia t c th ng dài 3 km ã b t u, và vào năm 1967 nó ã gia t c, l n u tiên, các electron lên 20 GeV. ng th i, khái ni m máy va ch m (xem ph n nói v máy va ch m) cũng ư c phát tri n vào lúc y. S phát tri n ưa n vi c xây d ng các máy va ch m electron-positron và Richter, s d ng m t máy va ch m như th , ã chia s gi i Nobel v t lí năm 1976 v i Samuel Chao Chung Ting cho nghiên c u tiên phong c a h v vi c khám phá ra m t h t cơ b n n ng thu c m t lo i m i. Stanford hi n nay là m t trung tâm quan tr ng cho máy gia t c electron và hi n t i, ngoài vi c có m t máy gia t c th ng dài 3 km l n nh t, hai c máy va ch m electron- positron là nh ng công c y s c m nh cho nghiên c u v t lí h t cơ b n. R t s m, trong s phát tri n c a synchrotron electron, s h ng thú ã t p trung vào b c x synchrotron. Năm 1977, Phòng thí nghi m B c x Synchrotron Stanford (SSRL) khai trương. Ngày nay, nhi u synchrotron electron ư c xây d ng kh p nơi cho vi c s n su t các chùm b c x synchrotron th c p. L n nh t trong s này là SPring8 8 GeV Harima, qu n Hyogo, mi n tây Nh t B n. Có kho ng 10 máy gia t c electron trong ngư ng t vài trăm MeV n vài nghìn MeV ch y u dùng cho nghiên c u trong v t lí ng d ng v t lí h t nhân, và ranh gi i gi a v t lí h t nhân và v t lí h t. M nh nh t trong s này là synchrotron ư ng ua t i T h p Máy gia t c qu c gia Thomas Jefferson Newport News, Virginia. Nó cung c p chùm tia m nh và liên t c c a các electron 100 microampe, 6 GeV. 62 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
Thi t b chùm electron liên t c (CEBAF) t i Phòng thí nghi m Jefferson, Virginia, Mĩ, gia t c các electron lên t i 6 GeV trong m t microtron ư ng ua có chu vi 1,4 km. S gia t c x y ra trong 338 v (h p) liên ti p t trong các vùng th ng bên trong các cryomodule và chùm tia b b cong 180 trong năm cung khác nhau. Trong vòng quay u tiên, các electron chuy n ng trong vòng cung phía trên, chúng l n lư t i xu ng và sau năm vòng gia t c, chúng i t i cung dư i cùng. Các thí nghi m ư c t trong ba phòng khác nhau, A, B và C. Trong tương lai, m t phòng m i D s ư c thêm vào và năng lư ng s tăng lên 12 GeV. Các ion n ng Cyclotron cung t p trung r t có ích trong vi c cung c p các ion n ng năng lư ng th p. Các ion ph i tích i n cao t t i năng lư ng kh dĩ l n nh t trong m t máy gia t c cho trư c. Năng lư ng thu ư c b i m t h t tích i n i qua m t khe có hi u i n th V là ZeV, trong ó Z là i n tích ion theo ơn v i n tích electron, e. Các lo i ngu n ion a d ng ã ư c phát tri n, ECR (C ng hư ng Cyclotron Electron) và EBIS (Ngu n Ion Chùm Electron) và chúng cung c p các chùm cư ng m nh c a các ion tích i n cao năng lư ng th p. Các ngu n này to l n và t bên ngoài máy gia t c. Khi có m t ion i qua m t môi trư ng m ng, ví d m t lá kim lo i, các electron ư c trao i gi a ion và môi trư ng. V n t c càng l n thì cơ h i càng l n cho ion m t các electron nguyên t . i v i các ion có năng lư ng r t cao, toàn b electron có th b tư c ra và electron b bóc tr n hoàn toàn. M t ion uranium b bóc tr i hoàn toàn có i n tích b ng 92 l n i n tích proton và khi i qua hi u i n th gia t c, năng lư ng c a nó tăng thêm nhi u g p proton 92 l n. Vì không th t o ra các ion tích i n cao t các ngu n ion nhi u hơn 10 ơn v i n tích cơ b n, nên có th s d ng hai máy gia t c electron “t ng” làm tăng i n tích ion b ng phương pháp “bóc tr i”. Sau khi gia t c n v n t c cao trong máy gia t c th nh t, các ion ư c trích ra và cho i qua m t lá kim lo i m ng nơi các electron b tư c ra. Các ion i n tích cao sau ó ư c ưa vào máy gia t c th hai, trong ó chúng s ư c gia t c n năng lư ng cu i cùng c a chúng. M t thí d cho thi t b t ng ki u này là ph c h p máy gia t c GANIL Caen, ó hai cyclotron cung t p trung ư c s d ng cho nghiên c u v t lí ion n ng. Các thi t b khác là GSI Darmstadt, ó m t máy gia t c th ng, Máy gia t c th ng V n v t (UNILAC), óng vai trò làm máy bơm h t cho Synchrotron Ion N ng (SIS) và ph c h p PS CERN cung c p các ion cho SPS. Vì năng lư ng t i a trong m t cyclotron b h n ch b i cư ng c a t trư ng và s m r ng xuyên tâm c a nó, nên ngư i ta s d ng các cu n dây siêu d n thay nh ng cu n dây ng bình thư ng qu n xung quanh các c c s t cung c p t trư ng m nh hơn. Vì th , có th thu © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 63
ư c năng lư ng cao hơn và cyclotron ư c xây d ng g n nh hơn. Cá cyclotron siêu d n ư c phát tri n u tiên b i Henry Blosser và các ng s c a ông East Lansing, Mĩ, ó hai cyclotron “c nh ” bây gi ư c ghép v i nhau. T trư ng là 5 tesla và ư ng kính c c tương ng là 1,5 và 2 m.Trong nh ng cyclotron này, các ion n ng có th gia t c lên năng lư ng 160 MeV trên m i nucleon. Ví d , các ion argon có th ư c gia t c lên ng năng toàn ph n 6.400 MeV. M t thi t b ion n ng m nh m m i hi n ang ư c lên k ho ch cho Vi n V t lí và Nghiên c u Hóa h c Riken Wako, Saitama, Tokyo. Các máy gia t c th ng và synchrotron cho electron và ion là nh ng công c nghiên c u quan tr ng ng th i dùng cho v t lí ion n ng khi c n n năng lư ng cao. Phòng thí nghi m qu c gia Lawrence Berkeley (LBL), mang tên nhà phát minh ra cyclotron, ư c trang b m t máy gia t c th ng hi n có và synchrotron vào u nh ng năm 1970 dùng cho gia t c các ion n ng lên kho ng 2.000 MeV trên m i nucleon. Synchrotron Berkeley ngày nay ã ng ng ho t ng nhưng sychrotron SIS dùng cho ion n ng Darmstadt cung c p t năm 1990 các ion có năng lư ng lên t i 1.000 MeV trên m i nucleon và ư c dùng cho nghiên c u v t lí thu n túy và v t lí ng d ng. S d ng các ion n ng ã gia t c, m t vài nguyên t m i ã ư c phát hi n l n u tiên Berkeley và Dubna và sau ó Darmstadt. Nguyên t n ng nh t t trư c n nay phát hi n ư c, nguyên t 110, l n u tiên tìm th y Darmstadt, và khám phá ó ã ư c xác nh n b i các nhóm Dubna và Berkeley. Nghiên c u v n quy t li t và nguyên t 112 ã ư c kh ng nh Darmstadt, nguyên t 114 Dubna và các nguyên t 116 và 118 Berkeley. Nh ng kh ng nh này c n ư c xác nh n trư c khi khám phá có th ư c thi t l p rõ ràng. Thông tin v máy gia t c Darmstadt và nghiên c u c a nó có th tìm trên trang ch c a GSI. T i CERN, các ion oxygen và sulphur ư c gia t c ban u trong năm 1986/87 trong Siêu Proton Synchrotron (SPS), lên năng lư ng 158 GeV/nucleon. K t ó các ion chì v i năng lư ng 160 GeV/nucleon, t c là 13 TeV năng lư ng toàn ph n, ư c s d ng b n phá h t nhân bia thu c các nguyên t n ng. i tư ng nghiên c u h p d n nh t là các h t g i là gluon, h t mang l c m nh gi các quark l i v i nhau bên trong proton và neutron. M t câu h i quan tr ng là không bi t m t t p h p l n c a các quark và gluon, cái g i là plasma quark-gluon, có th hình thành không khi m t ion năng lư ng cao như th tương tác v i m t h t nhân bia n ng. Tính ch t c a plasma quark-gluon s mang l i cái nhìn th u áo hơn vào ng l c h c tương tác c a các quark và vào s phát tri n ban u c a Vũ tr nh m tìm hi u th i kì quark c a Big Bang. T năm 1996, các ion t thi t b Darmstadt ư c dùng cho phương pháp chi u x b nh nhân. M t phương pháp ch n oán h p d n ã ư c phát tri n s d ng ion carbon cho phép chi u x . gi t ch t kh i u và ng th i gi li u lư ng v i mô bình thư ng m c t i thi u, c n ph i gi s i u khi n chính xác i v i s phân b c a tia chi u x . B ng cách s d ng lư ng nh carbon-11 phóng x t o ra trong lúc chi u x , ngư i ta thu ư c b n phân b li u lư ng. Gi ng như Thu t n i soi phát x positron thông thư ng (PET), positron h y v i electron c a mô và t o ra hai photon, ghi ư c trong máy dò h t, cung c p thông tin v ngu n g c c a h t nhân carbon-11. 64 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
Tác ng lí thú c a các ion n ng là nh ng hi u ng kì l mà các nhà du hành vũ tr c m nh n th y v i ôi m t nh m l i c a h . Nh ng lóe sáng này xu t hi n ki u các ư ng th ng hay các m hình sao. Nh ng hi u ng tương t có th tái t o l i vào u nh ng năm 1970 khi các ion t máy gia t c Berkeley ư c hư ng lên m t, lên u hay t m t bên sang. Cornelius Tobias, m t nhà nghiên c u v li u pháp b c x , là m t trong nh ng ngư i u tiên c m nh n th y tác ng c a “ánh sáng” sau khi nhìn xuyên qua các ion n ng phát ra t máy gia t c Berkeley. Hi n tư ng lóe sáng ã ư c nghiên c u r ng rãi trên tr m không gian vũ tr Mir c a Nga t năm 1995 n 1999. B c x h t vũ tr xung quanh ã ư c phát hi n và nh n ra b ng m t dãy máy dò h t Si nh y v trí và tín hi u phát hi n ư c có liên quan t i c m giác lóe sáng c a nhà du hành vũ tr qua m t s ch u ng thích thú. Thông thư ng các lóe sáng cách nhau b y phút và c m giác rõ ràng liên quan t i các ion i qua m t. ó v n là m t câu h i m , không bi t ánh sáng ư c t o ra trong hành trình c a h t ion hóa hay là các t bào hình que và hình nón c a m t b kích thích tr c ti p b i các h t thâm nh p vào. Các máy va ch m Trong cu c ua liên t c n các năng lư ng cao, c n thi t trong vi c tìm ki m các h t n ng chưa phát hi n và kh o sát nh ng kho ng cách nh hơn, các máy va ch m h t ã tìm th y là t t hơn các lo i máy gia t c khác. M t máy va ch m g m m t hay hai vòng c t tr trong ó các chùm h t ư c gia t c theo nh ng hư ng ngư c nhau, theo chi u kim ng h và ngư c chi u kim ng h . Khi các h t thu ư c năng lư ng c n thi t, chúng ư c c t tr và cho va ch m t i nh ng i m nh t nh d c theo chu tuy n c a (các) vòng, t i ó ngư i ta t các máy dò h t ghi nh n các h t b tán x và t o ra trong va ch m. Ngay trong th p niên 1960, nghiên c u tiên phong v cách th c cho va ch m hai chùm electron ang quay tròn trong hai synchrotron ã ư c th c hi n Novosibirsk t i Vi n Budker, mang tên nhà phát minh ra kĩ thu t làm mát electron c a chùm h t (xem ph n dư i nói v các vòng tr l nh). C máy va ch m u tiên dùng cho thí nghi m là các vòng tr giao c t (ISR), s d ng t i CERN t năm 1971 n 1983. Các proton ư c ưa t synchrotron proton vào hai vòng c t nhau t i tám giao i m, nơi các proton ư c làm cho va ch m. Năng lư ng va ch m lên t i 62 GeV và có th thu ư c dòng proton 30 ampe. Vì v n t c proton g n v i v n t c ánh sáng, nên s lư ng tr c a proton có th d dàng tính ư c. Bi t r ng chu vi c a ISR là kho ng 1 km, dòng i n 30 ampe tìm th y tương ng v i 600.000 t proton tr trong m i vòng. Các ph n proton, mang i n tích âm, có th làm cho quay tròn trong cùng vòng v i proton nhưng theo hư ng ngư c l i. T i CERN, vào năm 1980, l n u tiên các ph n proton ã ư c i u khi n và hình thành chùm quay tròn. Các ph n proton sinh ra trong các va ch m proton-h t nhân và liên t c tích góp và hình thành nên m t chùm h p b ng m t phương pháp làm mát g i là làm mát stochastic và do ngư i Hà Lan Simon van der Meer phát minh ra. Trư c năm 1980, các ph n proton ã ư c quan sát th y trong các ph n c a ch m t giây. Ph n proton có th tr trong nhi u gi , quay tròn bên trong m t ng dư i chân không cao khác thư ng (10-12 torr) ngăn c n chúng kh i b phá h y quá nhanh khi ch m trán v i v t ch t thư ng, t c trong trư ng h p này là v i các phân t không khí còn sót l i. Ngư i ta mong r ng các ph n proton © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 65
cách li kh i v t ch t có th i gian s ng b ng v i proton, t c là chúng là nh ng h t b n. Gi i Nobel v t lí năm 1984 trao chung cho Carlo Rubbia và van der Meer vì nh ng óng góp có tính quy t nh c a h cho vi c khám phá ra các h t trư ng W và Z, các h t truy n tin c a tương tác y u, chúng ư c t o ra trong va ch m gi a proton và ph n proton quay tròn theo hư ng ngư c nhau trong m t và cùng m t vòng synchrotron, SPS. T i Fermilab g n Chicago, synchrotron u tiên c a th gi i d a trên công ngh nam châm siêu d n ã ư c xây d ng và ho t ng t năm 1987. Trong các nam châm v i nh ng cu n dây siêu d n, các proton và ph n proton ư c gia t c lên năng lư ng 1.000 GeV, tr l i và mang cho va ch m. Năng lư ng ó cũng có th bi u di n là m t tera electron-volt (1 TeV), t ó mà cái tên Tevatron ã ư c t cho c máy va ch m Fermilab. Khi máy va ch m Tevatron b t u ho t ng vào năm 1987, các ph n proton ư c t o ra khi i u hành Vòng Chính 120 GeV. Các ph n proton ư c thu th p trong m t vòng Debuncher trư c khi chúng ư c chuy n t i Accumulator nơi áp d ng kĩ thu t làm mát stochastic. Sau khi làm mát, các ph n proton ư c ưa vào Vòng Chính và Tevatron gia t c lên 1 TeV. V i s m r ng g n ây c a ph c h p Fermilab, vòng chính ã ư c thay th b ng m t synchrotron chu kì nhanh m i 120 GeV, t c Máy bơm h t chính. Trong cùng t ng h m ó, m t vòng c t tr 8 GeV, Recycler, ã ư c xây d ng b ng các nam châm vĩnh c u. Recycler óng vai trò m t nhà kho các proton ã làm mát, nh ó cho phép t c làm mát cao trong Accumulator ho t ng t t nh t v i dòng i n th p, v n ư c duy trì. Recycler cũng nh n các ph n proton còn l i và ã gi m t c sau khi hoàn thành c t tr trong Tevatron. Kĩ thu t làm mát stochastic, ban u ư c l p t trong Recycler, s ư c tăng cư ng b ng vi c thêm kĩ thu t làm mát electron trong tương lai g n. Fermilab là phòng thí nghi m u tiên s d ng công ngh siêu d n quy mô l n. Cái vòng trên n n g m các nam châm v i nh ng cu n dây siêu d n và t dư i synchrotron proton i ra ã b tháo d vào năm 1997. Các cu n dây siêu d n cung c p t trư ng lên t i 5 tesla. Trong vòng bên dư i này, proton và ph n proton, tương ng quay theo chi u kim và ngư c chi u kim ng h , ư c gia t c t i 1 TeV tương ương v i m t tri u MeV (1 TeV = 1 tera electron-volt). Máy gia t c này, Tevatron, là cái u tiên thu c th h synchrotron m i s d ng công ngh siêu d n, chúng s cho phép gia t c các h t lên t i năng lư ng nhi u TeV. 66 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
Máy bơm h t chính m i (dư i lòng t) chu vi 3,2 km c a Fermilab, bơm các h t vào Tevatron l n hơn, synchrotron proton siêu d n và máy va ch m proton-ph n proton. Nó gia t c proton lên 150 GeV và bơm chúng vào synchrotron proton Tevatron dài 6,3 km và máy va ch m proton-ph n proton. Trong m t va ch m tr c di n gi a proton và ph n proton trong Tevatron, hàng trăm h t m i thư ng ư c t o ra. Theo công th c Einstein E = mc2, kh i lư ng t i a có th chuy n hóa t ng năng tương ng v i kh i lư ng c a kho ng 2000 proton, n u như toàn b ng năng c a proton và ph n proton trong m t va ch m ư c chuy n hóa thành kh i lư ng. N u thay th b ng m t ph n proton có cùng năng lư ng va ch m v i m t proton ng yên bia, thì kh i lư ng t i a tương ng v i kh i lư ng c a kho ng 40 proton có th t o ra. Có ít năng lư ng hơn nhi u cho s s n sinh kh i lư ng trong trư ng h p th hai này vì, trong va ch m v i bia ng yên, ng lư ng (chuy n ng) c a ph n proton ang chuy n ng ph i ư c b o toàn. Vì lí do tương t , s va ch m tr c di n gi a hai xe hơi ang chuy n ng s d d i hơn nhi u n u m t trong chúng ng yên. M t máy va ch m dùng cho ion n ng có kh i lư ng lên t i vàng ã ư c b t u trong năm 2000 Brookhaven. Hai vòng trong Máy Va ch m Ion N ng Tương i tính (RHIC) này s d ng các nam châm siêu d n b cong các ion. Nó có kh năng cho va ch m b t kì nguyên t nào thu c h th ng tu n hoàn lên t i năng lư ng 100 GeV/nucleon. Vào tháng 6 năm 2000, nh ng va ch m u tiên v i ion vàng 56 GeV/nucleon ã ư c ghi nh n. T i CERN, trong m t ư ng h m dài 27 km, hai vòng nam châm siêu d n ư c xây d ng dùng cho gia t c proton và ion. C máy va ch m này, Máy Va ch m Hadron L n (LHC), s cho phép ngư i ta nghiên c u các va ch m proton-proton và va ch m ion-ion năng lư ng cao nh t t trư c t i nay trong phòng thí nghi m. Các proton trong m i vòng s gia t c lên năng lư ng 7 TeV. Các cu n dây siêu d n cung c p t trư ng 8,3 tesla ho t ng nhi t 1,9 K, ch t làm mát là helium siêu l ng. Vi c làm mát hơn 31.000 t n v t li u tr i dài 27 km ánh d u m t c t m c quan tr ng trong s phát tri n c a công ngh siêu d n. Ngư i ta trông i LHC i vào ho t ng trong năm 2006. © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 67