Tái sinh máy gia tốc LHC và hành trình giải mã vật chất tối

Chiếc máy gia tốc nổi tiếng thế giới LHC (Large Hadron Collider) vừa được tái khởi động sau 2 năm nâng cấp. Sau khi tìm ra được "hạt của Chúa", các nhà khoa học kỳ vọng lần này LHC có thể giúp giải mã bí ẩn về vật chất tối (dark matter), một trong những bài toán lớn nhất của vật lý hiện đại.

Với chiều dài (chu vi) lên đến 27 km, LHC là cỗ máy gia tốc lớn nhất và cũng là phòng thí nghiệm vật lý lớn nhất thế giới từng được xây dựng. LHC do Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) đưa vào hoạt động từ 2008 sau 10 năm xây dựng ròng rã với tổng kinh phí lên đến 10 tỷ USD. LHC nằm sâu 175 mét dưới lòng đất, giữa biên giới của Pháp và Thuỵ Sỹ, gần thành phố Geneva.

Tái sinh máy gia tốc LHC và hành trình giải mã vật chất tối

Sơ đồ tổ hợp LHC với 4 phòng thí nghiệm CMS, ALICE, ATLAS và LHCb

Công sức của các quốc gia châu Âu đã được đền đáp xứng đáng khi sau cùng đến tháng 7/2012, các nhà khoa học của CERN đã tìm thấy một hạt boson có khối lượng vào khoảng 125 - 126 GeV. Sau nhiều tháng kiểm tra và đánh giá lại, hạt boson trên chính thức được các nhà vật lý xác nhận là hạt Higgs (hay còn gọi là "hạt của Chúa"), một trong những hạt cơ bản được đề xuất từ Mô hình Chuẩn (Standard Model) của ngành vật lý hiện đại.

Việc tìm ra hạt Higgs đánh dấu một cột mốc quan trọng cho cả LHC nói riêng và giới vật lý nói chung vì lý thuyết về nó đã được nêu ra từ 1964 nhưng mãi tới 40 năm sau, các khoa học mới khẳng định được sự tồn tại của nó.

Phòng thí nghiệm CMS, nơi đầu tiên tìm thấy "hạt của Chúa"

Nhưng Higgs không phải là mục tiêu sau cùng của các nhà vật lý. Mô hình Chuẩn trên thực tế vẫn còn nhiều lỗ hổng. Một lý thuyết khác gọi là thuyết Siêu đối xứng (Supersymmetry), cho rằng cứ tương ứng với một hạt từng có trong Mô hình Chuẩn sẽ có một hạt chưa được phát hiện. Và các hạt này rất có thể là vật chất tối, thứ vật chất cũng chỉ mới tồn tại trên lý thuyết.

Các nhà vật lý cho rằng lượng vật chất mà chúng ta quan sát được chỉ chiếm 4 - 5 % vũ trụ, còn lại là vật chất tối và năng lượng tối

Gọi là "tối" (dark) là vì thứ vật chất này không hấp thu, bức xạ hay tán xạ ánh sáng chiếu tới chúng. Vì thế các kính thiên văn dựa trên bức xạ điện từ không thể "nhìn thấy" loại vật chất này. Vật chất tối được các nhà vật lý thiên văn đặt ra nhằm giải thích các kết quả quan sát thiên văn khi mà nếu chỉ tồn tại các vật chất "sáng" (quan sát được) thì các lý thuyết vật lý hiện tại không giải thích được đầy đủ các kết quả trên.

Chỉ nhờ vật chất tối, giới vật lý thiên văn mới giải thích được những gì chúng ta nhìn thấy. Về mặt lý thuyết, các nhà vật lý cho rằng vũ trụ chỉ có 4 % là vật chất "sáng", 26 % là vật chất tối và 70 % còn lại là năng lượng tối (dark energy). Năng lượng tối được cho là thứ đã khiến vũ trụ giãn nở ra với tốc độ ngày càng nhanh.

Khi các hạt proton được gia tốc tới gần mức ánh sáng, chúng sẽ được cho va chạm vào nhau. Năng lượng của vụ va chạm sẽ giúp tạo ra các hạt vật chất mới

Nhưng làm sao LHC có thể giúp giới vật lý tìm ra vật chất tối? Câu trả lời nằm ở phương trình nổi tiếng E = MC2 của Albert Einstein. Theo đó năng lượng có thể chuyển hoá thành khối lượng và ngược lại. Bằng cách "nạp" năng lượng vào các hạt nhờ quá trình gia tốc rồi cho chúng "đâm" vào nhau, vụ va chạm sẽ phát sinh ra các hạt mới khác.

Tính tới 2009, mỗi giây LHC có thể tạo ra tới 600 triệu hạt vật chất, gia tốc chúng trong 10 giờ liên tục và các hạt di chuyển trên quãng đường dài hơn 10 tỷ km (gấp đôi khoảng cách giữa Trái Đất và Sao Hải Vương). Trong đó, khi được gia tốc lên gần mức vận tốc ánh sáng, trong một giây một proton "du hành" quanh đường hầm của LHC tới 11.245 lần!

Trạm CMS có 76.000 các tinh thể chì-tungstate để "đập vỡ" các electron và proton. Từ đấy các nhà khoa học có thể thu thập các "mảnh vụn" sinh ra từ vụ va chạm trên.

Chỉ trong vài phần ngàn giây, các thiết bị này ở trạm CMS sẽ quyết định những dữ liệu nào sẽ được giữ lại để nghiên cứu và dữ liệu nào bị bỏ đi để tiết kiệm năng lực điện toán.

Nhưng chỉ thế thôi chưa đủ. Tương tự như Higgs, các hạt vật chất mới chưa được tìm ra khác (có thể chứa cả vật chất tối) sẽ cần rất nhiều năng lượng để tạo ra chúng. Đấy cũng là lý do mà tại sao cùng dựa trên nguyên tắc gia tốc và va chạm, nhưng các máy gia tốc cũ với công suất yếu hơn không tìm ra được Higgs. Do vậy mà CERN đã tạm ngưng hoạt động LHC trong vòng 2 năm để nâng cấp sức mạnh cho cỗ máy.

Cho tới trước khi tìm ra Higgs, LHC có thể tạo ra được chùm tia với mức năng lượng lên đến 4 TeV (tổng năng lượng của 2 chùm khi va chạm với nhau lên đến 8 TeV). Dự kiến sau khi nâng cấp xong trong 2015 này, sức mạnh của mỗi chùm có thể đạt 7 TeV và tổng năng lượng của vụ va chạm có thể lên tới 13 TeV, tức mạnh hơn 60 % so với 2012.

Các nhà vật lý đang làm việc tại phòng điều khiển trạm CMS

Song khi vận hành một cỗ máy khổng lồ với mức năng lượng lớn đến thế, rủi ro tai nạn là điều phải đặt ra hàng đầu. Trên thực tế làn tái khởi động này đã bị chậm đi so với kế hoạch ban đầu. Một sự cố đoản mạch được phát hiện tại một trong những khối nam châm khổng lồ của LHC đã buộc CERN phải tạm ngưng để sửa chữa. Vì vậy trong những ngày đâu sau khi vừa nâng cấp xong này, các điều hành viên của CERN sẽ không "ép" LHC chạy ở mức công suất tối đa mà sẽ chạy thử nghiệm ở mức vừa phải rồi nâng lên từ từ.

Trung tâm điện toán của CERN, nơi mà các dữ liệu sinh ra từ LHC sẽ được xử lý

Paul Collier, người đứng đầu trong việc vận hành các chùm tia tại CERN, cho biết: "Nó không đơn giản như việc bật một cái công tác, chắc chắn là như thế. Từ giờ cho tới đầu hoặc giữa tháng 6, chúng tôi mới bắt đầu ghi nhận các dữ liệu năng lượng cao. Nhưng tại thời điểm hiện tại thì mức độ xảy ra các vụ va chạm vẫn còn ở mức thấp. Ở giai đoạn tiếp theo, diễn ra song song cùng với việc ghi nhận dữ liệu sẽ là việc chúng tôi tăng dần dần số lượng các proton". Dự kiến cuối 2015, LHC sẽ đạt mức công suất va chạm tối đa mà CERN đã nâng cấp cho nó.

Mặc dù hy vọng tìm thấy vật chất tối rất mù mờ vì đó chỉ mới là lý thuyết, và kể cả nếu chúng có tồn tại thật thì cũng không có gì đảm bảo chúng có thể được tạo ra bằng máy gia tốc. Tuy nhiên cũng giống như Higgs, ban đầu các nhà khoa học cũng không chắc chắn về việc nó có tồn tại hay không. Nhưng dù sao, LHC là một minh chứng sống hiển hiện nhất về khả năng nghiên cứu của con người. Nó còn là minh chứng cho sự hợp tác của rất nhiều quốc gia (để xử lý lượng dữ liệu khổng lồ mà LHC sinh ra, CERN đã phải xây dựng rất nhiều trung tâm điện toán đặt ở rất nhiều quốc gia. Đến 2012, mạng lưới máy tính dành riêng cho LHC đạt tới 170 trung tâm nằm trên 36 nước) trong nỗ lực tìm hiểu và khám phá tự nhiên.

Clip mô phỏng vụ va chạm 13 TeV sẽ sinh ra các boson nặng không có mặt trong Mô hình Chuẩn

Và kể cả trong trường hợp LHC không thể giúp CERN tìm ra vật chất tối, thì như Thomas Edison từng nói: "Tôi không thất bại. Tôi chỉ vừa tìm ra 10.000 cách mà chúng không đạt được việc".

Huyền Thế

Tổng hợp từ BBC, CCN, CERN, The Verge và Wikipedia

Đánh giá gần đây
Đọc nhiều nhất Phản hồi nhiều nhất

1 Tại sao bạn nên xóa email đừng lưu trữ tất cả

2 Nếu Twitter không cấm cửa Tổng thống Trump…

3 Ông Trump sẽ nhận mức lương hưu và đãi ngộ thế nào khi đã hết nhiệm kỳ?

4 Hé lộ người nộp thuế hơn 23 tỷ đồng: Cô gái 9X, thu nhập 330 tỷ đồng/ năm nhờ viết app cho Google Play, App Store

5 Vì sao Microsoft lại có ý tưởng táo bạo "dìm" trung tâm dữ liệu của mình xuống đáy biển?

Tin Liên quan
Các tin khác
a
Xem thêm
Góc nhìn VNREVIEW