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