Saturday, September 1, 2012

Tản mạn về: đi tìm nguồn gốc của vạn vật… (Phần 2)

Thế thì LHC là gì, sao người ta lại kỳ vọng vào nó để tìm hiểu một vấn đề lớn của vật lý hiện đại như vậy? Dù rằng cũng có nhiều thông tin trái chiều, không ủng hộ việc xây dựng hoặc thí nghiệm như là: quá tốn phí cho việc viển vông nên dành ngân sách đó cho việc khác thiết thực hơn như giải quyết việc hiệu ứng nhà kính làm biến đổi khí hậu toàn cầu chẳng hạn, hoặc tiên liệu về một nguy cơ cực lớn là quá trình thí nghiệm có khả năng sẽ tạo ra lỗ đen và thế là… trái đất bị hủy diệt vì một khi trái đất bị lọt vào hố đen thì vĩnh viễn không còn cách nào thoát ra được nữa bởi  lực hút cực lớn của hố đen,v.v… nhưng các nhà khoa học đã chứng minh được rằng xác suất xảy ra việc này là cực cực bé, thế nên dự án xây dựng và thí nghiệm nói trên vẫn được triển khai.


LHC, máy gia tốc hạt lớn viết tắt từ chữ Large Hadron Collider được thiết kế và xây dựng từ năm 1983, hoàn thành và bắt đầu hoạt động vào năm 2008 nhưng không thành công vì sai sót kỹ thuật buộc phải sửa chữa lớn (kết nối điện giữa 2 nam châm bị hỏng gây ra phản ứng dây chuyền khiến một trong số nhiều nam châm khổng lồ tạo nên trái tim của LHC quá nóng). Mãi đến cuối năm 2011 LHC mới được sửa chữa xong và hoạt động trở lại; LHC là máy gia tốc hạt lớn nhất hiện nay (một số quốc gia hoặc phòng thí nghiệm khác cũng có máy gia tốc nhưng quy mô nhỏ hơn nhiều) được thiết kế để tạo va chạm trực diện giữa các hạt proton với động năng cực lớn. Mục đích chính của nó là “phá vỡ những giới hạn và mặc định của Mô Hình Chuẩn, những lý thuyết cơ bản hiện thời của vật lý hạt.” Trên lý thuyết, cỗ máy này được cho là sẽ chứng minh sự tồn tại của hạt Higgs; những kết quả nghiên cứu từ chiếc máy này có thể chứng minh được những dự đoán từ trước cũng như những liên kết còn thiếu trong Mô Hình Chuẩn, nghĩa là mảnh ghép cuối cùng trong bức tranh thế giới được Mô Hình Chuẩn vẽ ra sẽ được chứng minh thực nghiệm bằng cách giải thích được vì sao các hạt cơ bản khác có đặc tính khối lượng. 

Các bạn cứ hình dung đơn giản như sau: bạn nặng 50 kg và lái xe chạy tại một thành phố lớn không phải là giờ cao điểm, đường xá thông thoáng, bạn có thể phóng xe thoải mái như bạn thích thậm chí đạt đến tốc độ ánh sáng, thế nhưng vào giờ cao điểm bạn cũng không nặng hơn (vẫn chỉ 50 kg) nhưng phải khó khăn lắm: quay bên này, ngoắt bên kia, trạng thái cân bằng đối xứng của bạn bị phá vỡ mà phải nhích từng tí từng tí một mới tiến tới được, tốc độ của bạn bị chậm lại như bạn nặng thêm hàng tấn… nhưng thực tế bạn có nặng hơn không? KHÔNG. Thế thì cái gì làm cho bạn có khối lượng nặng hơn như vậy khiến bạn không thể di chuyển được như tự nhiên? Nếu bạn cho rằng khối lượng của bạn là chỉ số đo trên bàn cân thì rõ ràng cả bạn cả xe vẫn không tăng chút nào, ĐÚNG THẾ, thế nhưng nếu bạn quan niệm rằng khối lượng của bạn là độ nhanh chậm khi di chuyển thì đúng là bạn bị “tăng cân” vậy nguyên nhân “tăng cân” này là gì, vì bạn bị kẹt xe, chính vì kẹt xe nên bạn không thể di chuyển như tự nhiên,vấn đề kẹt xe đang tương tác với bạn khiến bạn như bị nặng thêm hàng tấn, không di chuyển như tự nhiên được.

Theo lý thuyết vật lý hạt hiện đại: đó chính là cách hạt boson Higgs mang lại khối lượng cho các hạt cơ bản khác, nói cách khác hạt Higgs tương tác với các hạt cơ bản khác, phá vỡ đối xứng cục bộ và làm chúng chuyển động chậm lại, không còn tự do bay bổng với tốc độ ánh sáng được nữa và chính việc tương tác này khiến các hạt cơ bản khác có khối lượng của chúng. Nói khác đi, nếu không có hạt Higgs sẽ không có mặt trời, không có mặt trăng, không có trái đất, không có vũ trụ, và tất nhiên là không có… chúng ta vì không có hạt Higgs thì tất cả đều không có khối lượng, tất cả các hạt sẽ di chuyển tùy thích với tốc độ ánh sáng, sẽ chẳng có gì giữ các hạt lại được để hình thành vật chất có cấu trúc được. Do vậy -dù ngẫu nhiên- người ta gọi hạt Higgs là hạt của Chúa (God Particle).
Hạt boson Higgs có tên gọi là Hạt Của Chúa do đâu?

Như tôi đã nói ở trên, tên gọi Hạt Của Chúa được hình thành một cách hết sức ngẫu nhiên… Thoạt tiên hạt này được nhà vật lý hạt nổi tiếng -Leon Lederman- người được giải Nobel năm 1988 gọi một cách tình cờ là “Hạt Chết Tiệt” (goddamn particle, có lẽ vì ông ta cũng “điên đầu” khi tìm hiểu, nghiên cứu về tính xác thực và cơ chế hoạt động của hạt này) trong một cuốn sách khoa học đại chúng; nhưng biên tập viên tòa soạn thấy từ này là thô tục (goddamn) nên vào phút cuối trước khi in và xuất bản ông ta đã cho sửa lại là “God particle”, từ đó thuật ngữ Hạt Của Chúa hình thành và trở thành thuật ngữ chính thống khác để gọi hạt Higgs.

Mô tả sơ lược LHC

LHC được chứa trong một đường hầm tròn bằng bê tông, đường kính hầm 3,8m; chu vi đường hầm 27 km nằm ở độ sâu từ 50->175m dưới mặt đất tại biên giới Pháp-Thụy sĩ giữa núi Jura và dãy Alps. Dự án này được cung cấp kinh phí và chế tạo với sự tham gia cộng tác của trên 8.000 nhà vật lý của 15 quốc gia cũng như hàng trăm phòng thí nghiệm và trường đại học danh tiếng trên thế giới. Đường hầm có 4 điểm cắt qua biên giới Pháp-Thụy sĩ với phần lớn đường hầm nằm trên đất Pháp; có rất nhiều thiết bị hỗ trợ nằm trên công trình như máy nén, máy quạt gió, các thiết bị điện tử điều khiển và hệ thống thiết bị làm mát. Đường hầm chứa LHC có 2 đường dẫn song song sát nhau, giao nhau ở 4 điểm; mỗi đường sẽ chứa 1 tia proton được lưu chuyển vòng quanh đường tròn từ 2 hướng ngược nhau. Có 1.232 nam châm lưỡng cực giữ cho các tia đi đúng đường tròn, có thêm 392 nam châm tứ cực được dùng để -sao cho- các tia luôn luôn hội tụ làm tăng khả năng va chạm cao nhất của dòng hạt ở 4 điểm giao cắt. Tổng cộng có trên 1.600 nam châm siêu dẫn được trang bị với cái nặng nhất là 27 tấn. Cần khoảng 96 tấn heli lỏng để giữ các nam châm hoạt động ở 1,9 độ K khiến cho LHC trở thành thiết bị siêu lạnh lớn nhất thế giới với nhiệt độ của hêli lỏng. Điều quan trọng khác là môi trường chân không tuyệt đối của thiết bị, bởi vì chỉ cần một lỗ hổng nhỏ bằng đầu kim thôi trên toàn hệ thống gần 30 km thì thí nghiệm sẽ không còn chút giá trị nào và -thêm nữa- các tia proton phải được máy gia tốc đẩy đến tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng.


Thí nghiệm được tiến hành như sau:

1 hoặc 2 lần/ngày, động năng của các hạt proton được gia tăng từ 450 GeV lên đến 7 TeV, từ trường của các nam châm siêu dẫn lưỡng cực được tăng từ 0.54 đến 8.3 tesla (T). Các proton ở mỗi đường dẫn sẽ có năng lượng đạt 7 TeV, giúp cho năng lượng va chạm đối diện đạt 14 TeV, ở mức năng lượng này các proton có hệ số Lorentz là 7.500 và di chuyển với vận tốc bằng 99,9999991% vận tốc ánh sáng, MỖI GIÂY chúng bay quanh đường hầm 11.000 vòng; các proton không phải là tia liên tục mà được thay bằng các chùm, khoảng 2.808 chùm, với số lượng đó khoảng thời gian giữa các va chạm không bao giờ ngắn hơn 25 ns. Khi máy gia tốc lần đầu tiên được sử dụng, nó đã hoạt động ở số chùm ít hơn, khoảng cách thời gian mỗi chùm là 75 ns, sau đó số chùm được tăng lên cho đến quãng cách cuối cùng là 25 ns. Trước khi được đưa vào bộ gia tốc chính, các hạt được đi qua một chuỗi hệ thống tuần tự làm tăng năng lượng của chúng. Hệ thống đầu tiên là máy gia tốc hạt tuyến tính Linac 2, máy này gia tốc các proton lên động năng 50 MeV, sau đó được đưa vào máy Proton Synchrotron Booster tại đây các proton được tăng tốc lên 1.4 GeV rồi được dẫn vào máy Proton Synchroton (PS) ở đây các proton đạt động năng 26 GeV. Cuối cùng máy Super Proton Synchroton (SPS) được dùng để tăng năng lượng của chúng lên 450 GeV trước khi được dẫn vào vòng tròn chính (qua một giai đoạn 20 phút). Tại đây các chùm proton được tích lũy và tăng tốc lên năng lượng đỉnh là 7 TeV, cuối cùng chúng được dự trữ trong 10 đến 24 tiếng trong khi các va chạm xảy ra tại 4 giao điểm. Máy cũng được dùng để tạo va chạm các ion nặng chì (Pb) với năng lượng tương tác là 1150 TeV. Các ion chì đầu tiên sẽ được gia tốc bởi máy gia tốc tuyến tính Linac 3, còn máy phun năng lượng thấp Low-Energy Injector Ring được dung làm bộ lưu trữ ion và làm mát. Các ion sau đó sẽ được gia tốc lên thêm bằng máy PS và SPS trước khi dẫn vào máy LHC, ở đây chúng đạt năng lượng 2,76 TeV trên mỗi hạt. Các thiết bị chủ yếu của cỗ máy này là: 6 bộ phân tích (detector) 2 bộ trong số đó là ATLAS Experiment và Compact Muon Solenoid là những bộ phận tích hạt đa mục đích có kích thước lớn. 2 bộ A Large Ion Collider Eperiment (ALICE) và LHCb có các chức năng riêng biệt hơn và 2 bộ còn lại nhỏ hơn nhiều là TOTEM và LHCf dành cho các nghiên cứu chuyên môn đặc biệt khác.

Thông báo mới nhất về “sự va chạm” thí nghiệm trong LHC chính là từ các ion chì, các máy tính đã ghi nhận vụ nổ do va chạm phát sinh một nhiệt lượng lên đến 7 triệu độ C… việc thông báo chính thức về kết quả khảo cứu, thí nghiệm về việc có Hạt Của Chúa không, cơ chế tương tác của nó thế nào sẽ được chính thức công bố trong một tương lai không xa, chúng ta chờ xem. Việc đi tìm nguồn gốc của vũ trụ hứa hẹn sẽ còn nhiêu khê lắm…

Đỗ Thế Hùng (sưu tầm & tổng hợp)

17.00pm 01/9/2012 Lăng cô – Huế

No comments:

Post a Comment