Blog

Máy gia tốc hạt lớn sẽ giải mã bí ẩn của vũ trụ như thế nào?

Trải nghiệm của người dùng với máy gia tốc hạt lớn

Nằm sâu trong lòng đất, ở phía biên giới giữa Pháp và Thụy Sĩ, tổ chức nghiên cứu hạt nhân Châu Âu (European Organization for Nuclear Research) đã xây dựng thành công chiếc máy gia tốc hạt lớn (Large Hardon Collider). Với tên gọi này, máy gia tốc hạt lớn đã thu hút sự tập trung của hàng nghìn nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới. Mục tiêu của họ là sử dụng máy gia tốc hạt lớn để khám phá những kiến thức mới về vũ trụ bằng cách nghiên cứu các hạt cơ bản. Vậy, những hạt cơ bản này là gì?

Các khái niệm như proton, neutron và electron không còn xa lạ trong giáo dục hóa học. Chúng là những loại hạt cơ bản phổ biến. Đối với những người làm việc trong lĩnh vực vật lý lượng tử, họ có thể biết đến một loạt danh sách dài các hạt khác như Fermion và Quark. Bằng một tìm kiếm đơn giản trên Google, bạn có thể tìm thấy thông tin về rất nhiều loại hạt cơ bản trên các trang web. Các nhà khoa học đã đặt tên cho những loại hạt cơ bản đã được khám phá là “vật chất nhìn thấy”. Có ý nghĩa gì đằng sau cái tên này?

Nếu có vật chất nhìn thấy, tức là cũng sẽ có vật chất chưa nhìn thấy. Sau hàng trăm năm nghiên cứu về vũ trụ, các nhà khoa học đã kết luận rằng những loại hạt cơ bản mà con người đã phát hiện và theo dõi chỉ chiếm khoảng 4% tổng số hạt trong vũ trụ. Điều này có nghĩa là còn hàng trăm loại proton, neutron và electron khác tồn tại ngoài vũ trụ mà chúng ta chưa biết đến. Các nhà khoa học đã đặt tên cho những loại hạt cơ bản mà con người chưa tìm ra là “vật chất chưa nhìn thấy”.

Chuyên môn và tính thẩm quyền của máy gia tốc hạt lớn

Máy gia tốc hạt lớn hoạt động dựa trên nguyên lý va chạm giữa hai phân tử di chuyển theo hướng đối nghịch. Một phân tử di chuyển theo chiều kim đồng hồ, trong khi phân tử kia di chuyển ngược chiều kim đồng hồ. Cả hai phân tử này được gia tốc đạt tới tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, sau đó chúng sẽ va chạm với nhau. Bằng cách nghiên cứu quá trình va chạm này, các nhà khoa học có thể khám phá các thuộc tính của các hạt cơ bản mới, cùng với các lý thuyết mới trong lĩnh vực vật lý hạt nhân và vật lý lượng tử.

Máy gia tốc hạt lớn bao gồm một đường hầm vòng tròn có chu vi 18 km. Trong đường hầm này, hai chùm tia proton di chuyển theo hướng đối nghịch. Trên vòng tròn của máy gia tốc hạt lớn, có sắp đặt các bộ phân tích để quan sát các hiện tượng xảy ra khi proton va chạm với nhau. Các bộ phân tích này bao gồm:

  • ATLAS: một trong hai bộ phân tích đa mục đích. ATLAS được sử dụng để tìm kiếm dấu hiệu vật lý mới, bao gồm cả nguồn gốc của khối lượng và các chiều phụ trợ.
  • CMS: một bộ phân tích đa mục đích khác, tương tự như ATLAS, sẽ tìm kiếm các hạt Higgs và tìm hiểu về bản chất của vật chất tối.
  • ALICE: sẽ nghiên cứu một dạng “lỏng” của vật chất được gọi là quark-gluon plasma, tồn tại trong thời gian rất ngắn sau Vụ nổ lớn.
  • LHCb: so sánh lượng vật chất và phản vật chất được tạo ra trong Vụ nổ lớn. LHCb cố gắng tìm hiểu những gì đã xảy ra với phản vật chất “bị thất lạc”.
  • TOTEM: đo kích thước của proton và độ sáng của LHC. Trong vật lý lượng tử, độ sáng ảnh hưởng đến độ chính xác của máy gia tốc hạt lớn trong việc tạo thành va chạm.
  • LHCf: nghiên cứu về tia vũ trụ tự nhiên.

Độ tin cậy và trải nghiệm về cuộc sống của bạn

Máy gia tốc hạt lớn là một phần của hệ thống gia tốc hạt toàn diện. Quá trình phân tích xung đột proton trong máy gia tốc hạt lớn có thể được chia thành hai giai đoạn như sau:

Giai đoạn 1: Trước khi vào máy gia tốc hạt lớn

Proton, theo bản chất của nó, không tồn tại dưới dạng đơn lẻ mà luôn đi kèm với phân tử. Do đó, proton cần được tách rời từ phân tử ban đầu. Quá trình gia tốc proton lên tốc độ xấp xỉ 99% tốc độ ánh sáng không phải là việc dễ dàng như chỉ cần tăng ga cho một chiếc xe máy. Quá trình trước khi proton vào máy gia tốc hạt lớn có thể được tóm tắt như sau:

  • Tách proton ra khỏi phân tử.
  • Gia tốc trong LINAC2 – gia tốc 1.
  • Gia tốc trong PS Booster – gia tốc 2.
  • Gia tốc ở trạng thái năng lượng cao trong SPS – gia tốc 3. Sau khi hoàn thành gia tốc ở SPS, chùm tia sẽ được phun vào máy gia tốc hạt lớn theo hướng đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ.

Giai đoạn 2: Trong máy gia tốc hạt lớn

Khi chùm tia proton được hướng vào máy gia tốc hạt lớn, nó sẽ di chuyển qua 11.245 vòng quanh máy. Trong khoảng thời gian 20 phút, chùm tia sẽ được gia tốc liên tục cho đến khi đạt tới gần tốc độ ánh sáng. Sau khi đạt được tốc độ cực đại trong khoảng thời gian 20 phút, chùm tia proton cùng chiều và chùm tia proton ngược chiều sẽ va chạm với nhau tại các điểm hội tụ. Các proton chưa va chạm sẽ tiếp tục được gia tốc để tạo ra va chạm sau đó. Hiện tượng này sẽ được ghi lại và phân tích tại 6 điểm phân tích như đã đề cập ở trên.

Máy gia tốc hạt lớn huy động 9600 nam châm chuyên dụng để gia tốc proton. Các nam châm này được đặt trong một môi trường cực lạnh, với nhiệt độ 1.9 Kelvin (tương đương âm 271.56 độ C, lạnh hơn nhiệt độ của không gian ngoài Trái Đất). Khi máy gia tốc hoạt động, môi trường để các electron di chuyển phải đạt đến mức chân không tuyệt đối, vì chỉ cần một phân tử khí thâm nhập, toàn bộ thí nghiệm sẽ thất bại. Hệ thống máy gia tốc hạt lớn bao gồm 150 triệu cảm biến. Dữ liệu thu được sau quá trình thí nghiệm trong một năm lên tới 15 petabytes, tương đương với dung lượng của 1 triệu chiếc DVD. Máy gia tốc hạt lớn tiêu thụ đến 800.000 MWh điện, tương đương với 19 triệu Euro mỗi năm. Số tiền điện mới của máy gia tốc hạt lớn này chỉ tính trong trường hợp máy không hoạt động vào mùa đông. Tổng giá trị của dự án máy gia tốc hạt lớn là 6 tỷ đô la.

Mặc dù có những nguy cơ liên quan đến việc sử dụng máy gia tốc hạt lớn trong môi trường có mức năng lượng rất cao, nhiều người đã bày tỏ lo ngại rằng máy gia tốc hạt lớn có thể gây hủy diệt thế giới. Một số người thậm chí đã đưa ra vụ kiện nhằm phản đối hoạt động của máy gia tốc hạt lớn. Một số nguyên nhân có thể kể đến là máy gia tốc hạt lớn có thể tạo ra lỗ đen nhân tạo nuốt chửng Trái Đất, làm thay đổi trọng trường của Trái Đất, hay thay đổi cực từ của Trái Đất.

Tuy nhiên, hiệp hội khoa học đã đưa ra tuyên bố rằng những nguy cơ đe dọa Trái Đất như trên chỉ có xác suất rất nhỏ. Mục tiêu lớn của máy gia tốc hạt lớn là khám phá và tìm hiểu về vật lý lượng tử. Dựa trên những thành tựu đã đạt được trong quá khứ, chắc chắn rằng chúng ta sẽ có nhiều kết quả nghiên cứu đáng chú ý hơn nữa trong lĩnh vực này. Ai biết, có thể những nghiên cứu này sẽ mang lại cho chúng ta những phát minh độc đáo như trong thế giới của Spiderman hay Ironman.

Tham khảo: Howstuffworks

Related Articles

Back to top button