Tìm hiểu vềMáy gia tốc hạt Large
Hadron Collider (LHC)
Đầu tiên, xin nói vềtên gọi của cỗmáy: Large Hadron Collider (LHC), có
thểhiểu là "Cỗmáy tạo va chạm hạt Hadron". Hạt Hadron là tên gọi cho
nhóm các hạt có kích thước dưới cảmức nguyên tử(subatomic), được cho là
những hạt cơbản của vũtrụ. Từ"bắn phá" chúng ta thường dùng là bởi chức
năng của chiếc máy này là phóng những hạt cơbản lên tới một vận tốc cực
lớnđể chúng đâm vào nhau. Với cỗmáy LHC, các hạtđược cho di chuyển trên
một quỹ đạo tròn cực lớnđể tạo gia tốc, và sau cùng bắn vào một chùm hạt
khác.
Một góc của Large Hadron Collider
Sau khi có một chút khái niệm vềchiếc máy, ta hãy cùng làm rõ vấnđề bằng cách
trảlời một sốcâu hỏi sau đây:
Công việc của các nhà vật lí hạt là gì?
- Hiểu nôm na, ta có thểnói công việc của những nhà vật lý này là nghiên cứu
vềcác loại hạt, và cụthểhơn là cho chúng va chạm với nhau và rút ra kết luận vật
chấtđược tạo ra từ đâu, và chúng kết nối với nhau nhưthếnào.
Tại sao nói máy bắn phá hạt có thể được các nhà vật lý sửdụng để tạo
ra vụnổkiến tạo vũtrụ- vụnổBig Bang? Vậy liệu chiếc máy này có phải là
một cỗmáy thời gian?
- Các nhà vật lý cho rằng các quy luật vật lý đã phát triển cùng với việc nguội
đi của vũtrụtừhàng tỉhay hàng nghìn tỉ(10 mũ12) độ đến nhiệtđộ ngày nay. Khi
vũtrụnguộiđi, các nhà vật lý cho rằng mọi thứcũng vì thếtrởnên phức tạpđi. Các
khái niệm như"hạt" hay "lực" một thờiđược cho là một qua thời gian trởthành
những hiện tượng có thể được phân biệt rõ ràng, nhưproton, electron với lực hấp
dẫn, lực ly tâm... cũng nhưngày xưa tiếng Tây Ban Nha, Pháp và Ý đều bắt nguồn
từtiếng Latin cổ, nhưng ngày nay lại muôn hình vạn trạng. Nói tóm lại, các nhà
khoa học cho rằng "hạt" hay "lực" cũng đi từmột thứmà ra, ngay từ đầu tiên nhất
đó là vụnổBig Bang.
Bằng việc tạo va chạm giữa các hạt cơbản - hạt proton - các nhà vật lý tạo ra
những quảcầu lửa nhỏ, hay là những vụnổBig Bang quy mô nhỏ, chứađựng trong
đó các điều kiện của vũtrụthời kì sơkhai, và từ đó có thểtìm hiểuđược chuyện gì
đã diễn ra trong thời kì đó.
Chiếc máy bắn phá hạt này đượcđặt dưới lòng đất gần biên giới Thụy
Sĩ- Pháp và có chu vi lên đến 17 dặm (tương đương 27km). Có tới trên
10.000 nhà vật lý và nhà nghiên cứu khoa học từ85 quốc gia làm việc tạiđây.
Tại sao nó lại lớnđến thế?
- Nhà bác học vĩ đại Einstein đã chứng minh cho chúng ta rằng mức năng
lượng và khối lượng vật chất là tương đương với nhau(*). Vì vậy, khi càng nhiều
năng lượng được dồn nén vào trong một quảcầu lửa nêu trên thì quảcầu này sẽ
càng lớn ("lớn" ở đây giống nhưkhi quy sức mạnh của bom nguyên tửvềsốtấn
thuốc nổTNT). Từ đó dẫn tới việc cỗmáy bắn phá hạt phảiđủ lớn và đủ mạnh để
thực hiệnđược va chạmđủ lớnđể nén đủ lượng năng lượng vào một hạt proton.
Hơn nữa, các hạt chuyểnđộng với vận tốc càng lớn thì sẽcàng khó hơnđể có thể
bẻcong đường đi của chúng để chúng có thểchuyểnđộng thành một vòng tròn và
va chạm với nhau. (Cỗmáy LHC được thiết kế để các hạt proton có thểchuyển
động tròn dưới tác dụng của một từtrường đều tạo ra nhờmột hệthống nam
châm điện, có hướng vuông góc với vận tốc của hạt. Điện trường xoay chiều sinh ra
trong lòng máy có tác dụng tăng tốc cho hạt trong quá trình chuyểnđộng: Vận tốc
hạt ngày càng tăng cùng với bán kính quĩ đạo. Khi động năng của hạt tăng lên đến
giá trị đủ lớn thì người ta cho chùm hạt bắn phá vào một chùm hạt bay ngược với
nó để tạo ra phảnứng hạt nhân.) Mặc dù hệthống nam châm điện trong cỗmáy
LHC thuộc loại nam châm điện mạnh nhất từng được chếtạo, các nhà nghiên cứu
vẫn chưa thểbẻcong đường đi của các hạt proton với bán kính quĩ đạo ít hơn 2,7
dặm (~4,5 km).
Nói tóm lại, nếu chỉ để trảlời ngắn gọn câu hỏiđã nêu, ta có thểhiểu nhưsau: Cỗ
máy càng lớn thì có bộgia tốc càng mạnh, bộgia tốc càng mạnh thì tạo ra gia tốc
lớn, từ đó vụva chạm càng mạnh, và nhờ đó những nhà nghiên cứu sẽcó thểdễ
dàng tìm hiểuđược bản chất của vũtrụ.
(*) Có thểbạn sẽthắc mắc tại sao năng lượng và khối lượng lại tương đương
khi e=mc^2 cơmà, thì xin trảlời khi xét vớiđơn vịtựnhiên (Natural units) thay vì
đơn vịvật lý (Physical units) thì các hằng sẽbằng 1)
Các nhà vật lý hy vọng sẽtìm ra đượcđiều gì?
-Để hiểuđược thếgiới chúng ta từ đâu mà ra, được tạo ra từnhững gì, và
nhiều hơn thếnữa...
Trên lý thuyết, chúng ta hiện vẫn chưa thểtìm hiểuđược hết tất cảcác hạt cấu
thành nên hạt cơbản, ví dụnhưcác hạtgluino, photino, squark và wino. Lý do của
việc này đơn giản là vì chúng ta chưa thểcó đủ nguồn năng lượng để tạo ra một vụ
va chạm hạtđủ mạnh.
Nếu bất kỳmột trong những hạt này tồn tạiđều có thểtạo thành những đám mây
vật chất tối ("dark matter"), dạng vật chấtđược cho là yếu tốcấu thành nên lực
hấp dẫn trong vũtrụgiúp "giữ" các thiên hà cũng nhưcác cấu trúc vũtrụkhác.
Thêm vào đó, một mắt xích vô cùng quan trọng chưađược tìm ra nhưng biết rằng
có tồn tại (qua các nghiên cứu) trong các quy luật vật lý của chúng ta là sựhiện
diện của một loại hạtđược gọi là Higgs boson (bozon), theo tên nhà vật lý Peter
Higgs củaĐại học Edinburgh. Theo các cơsởkhoa họcđã biết, Higgs boson đóng
vai trò tạo ra thứmà chúng ta gọi là "khối lượng" của mọi vật chất, lí giải tại sao vật
nặng lại khó di chuyển hơn vật nhẹ, v.v... Hạt này làm đượcđiềuđó bằng cách đóng
vai trò một "chất kết dính" các hạt tạo nên vật chất khi chúng chuyểnđộng.
*Bạn có thểxem mẩu chuyện vui ởcuối bài để dễhiểu hơn vềhạt Higgs.
Vậy, cần bao nhiêu năng lượng để tạo ra những quảcầu lửa?
Với cỗmáy Large Hadron Collider, năng lượng cần có hiện là 3500 tỉ
(3.500.000.000.000) electron volt (eV) mỗi proton - nếu so ra chỉbằng năng lượng
một con bọcầnđể di chuyển qua lại. Con sốnày nghe có vẻnhỏbé, nhưng ta phải
chú ý đến từmỗi proton:đối với một proton đường kính chỉ10^-10m (có tài liệu
ghi là 10^-15m), lượng năng lượng trên là cực lớn.
Electron volt (eV) là gì?
- Một electron volt (1eV) là lượng năng lượng một electron thu được khi di chuyển
từcực âm tới cực dương một viên pin 1 volt. Đây là mộtđơn vịnăng lượng thường
được dùng bởi các nhà vật lý.
Khi các hạt va chạm với nhau liệu sẽcó vụnổlớn?
- Khi các hạt va chạm, hầu nhưkhông có âm thanh gì cả. Nếu bạn tưởng
tượng sẽnhưmột vụnổbom thì hoàn toàn không phải nhưthế. Các vụnổBig Bang
"mini" mà chúng ta thấy chỉtồn tại trong thời gian cực ngắn (có thểcòn nhỏ
hơnmột phần trăm giây)
Nhưng trong các thửnghiệm trướcđâyđã có một vụnổthực sự?
- Trong cuộc thửnghiệm máy bắn phá vào tháng 9 năm 2008, đường nối
điện giữa một cặp nam châm khổng lồ đã bịphá hủy. Có hàng ngàn kết nối nhưvậy
trong cỗmáy, nhiều trong số đó hiệnđược cho là mắc lỗi. Đây chính là lí do mà
máy sẽchỉ được cho vận hành với một nửa sức mạnh trong hai năm tới.