Va chạm proton-proton giàu năng lượng nhất từng được quan sát hiện đang được tạo ra tại Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN. Trong bài, Tommaso Dorigo lí giải vì sao các nhà nghiên cứu ở cỗ máy va chạm trên lại hăm hở thâu đêm thu thập dữ liệu qua những giờ giấc ngắn ngủi của đêm yên bình.
Phòng điều khiển thí nghiệm CMS. (Ảnh: CERN)
Những vách tường lắp đầy màn hình máy vi tính. Đa số thể hiện những thông tin trông thật nhạt nhẽo, liên tục thay đổi, về trạng thái của máy gia tốc hoặc các bộ phận máy dò hạt. Nhưng nếu bạn đến khi máy va chạm đang thu thập dữ liệu, thì cái nổi bật nhất là mảng phần cứng kém hữu dụng nhất: một màn hình màu, phẳng, cỡ lớn, lắp cao phía trước chỗ ngồi của nhân vật lãnh đạo, nơi ảnh chụp nhanh của những vết tích được tái dựng lại và năng lượng của các hạt được tạo ra trong các va chạm liên tục được cập nhật trong cuộc truy hoan 3D của màu sắc.
Mỗi giây, màn hình lại làm tươi mới với một va chạm mới, cho nên sẽ chẳng dễ dàng gì nếu bạn muốn bỏ nhiều thời gian hơn để khảo sát va chạm cuối cùng: nó sẽ được ghi lại trong một tập tin dữ liệu ở đâu đó, nhưng may rủi là bạn sẽ không bao giờ nhìn thấy nó nữa đâu. Hàng triệu “sự kiện” như vậy – thuật ngữ dùng để mô tả các va chạm hạt, cũng như vài trăm megabyte dữ liệu quý giá thu được – được ghi lại mỗi ngày ở một trung tâm trực tuyến khổng lồ gọi là “Tier zero”, trong đó các rô bôt băng từ xử lí và lưu trữ dữ liệu thô vô giá ấy, và hàng nghìn CPU xử lí những tái hiện trọn vẹn đầu tiên của các vết tích hạt và năng lượng. Cái bạn chú ý đến trên màn hình bản thân nó chẳng có gì đặc biệt cả - nó đơn thuần là những hình ảnh phù du bởi sự chọn lựa ngẫu nhiên của chương trình hiển thị sự kiện.
Chào mừng đến với phòng điều khiển của Compact Muon Solenoid (CMS), một trong bốn thí nghiệm đang hoạt động tại phòng thí nghiệm vật lí hạt CERN ở ngoại ô Geneva (hình 1). Tại đây, và ở ba trung tâm điều khiển khác, các nhà nghiên cứu làm việc luân phiên, trải qua những ngày tất bật và những đêm không ngủ ở phía trước những màn hình máy vi tính dang chạy các chương trình theo dõi ghi nhận xung tín hiệu của các bộ phận máy dò hạt, phần cứng thu thập dữ liệu và các thiết bị điện tử đa dạng. Thu thập dữ liệu vào ban đêm thì tốt hơn ba ngày: mọi người tập trung hơn; điện thoại không reo nữa; và dữ liệu tích góp yên ắng hơn trong phần cứng lưu trữ.
Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) là một vành đai dài 27 km nằm sâu chừng 100 m bên dưới đường biên giới Pháp-Thụy Sĩ, ở gần thành phố Geneva. Bốn hang động thí nghiệm khổng lồ nằm dọc theo vành đai trên. Trong khi CMS và ATLAS khai thác năng lượng trọn vẹn và cường độ của cỗ máy, thì LHCb được thiết kế để phát hiện những va chạm năng lượng nhỏ và nghiên cứu sự sản sinh quark bottom (quark đáy) ở cường độ cao. ALICE thì được tối ưu hóa đối với va chạm giữa những hạt nhân như chì chẳng hạn, những va chạm do LHC mang lại trong những lần chạy đặc biệt. (Ảnh: CERN)
Những chuỗi số 0 và 1 quý giá ấy không nằm yên lâu được. Một mạng máy tính lớn liên tục sao chép dữ liệu đã qua tái dựng đến những trung tâm vùng khác nhau trên khắp thế giới, ở đó những bộ CPU ghép song song khổng lồ xử lí lại thông tin, tạo ra những cơ sở dữ liệu kiểu lướt qua sau đó truyền tải khắp toàn cầu đến những mục tiêu cuối cùng của chúng – một loạt những trung tâm vùng nhỏ hơn. Ở đó, các tập tin dữ liệu được cho vào những chương trình mạnh để các nhà nghiên cứu khai thác trong những truy vấn dài hơi. Giống như một người có học không ngừng truy vấn, các chương trình lặng lẽ chờ đến lượt chúng để quay các đĩa dữ liệu và mang lại thông tin tinh lọc cho các nhà phân tích đã thiết kế ra chúng.
Sự nỗ lực to lớn của máy móc và trí tuệ con người nhằm biến đổi các nguyên tử hydrogen thành các va chạm proton-proton dữ dội, và sau đó biến những va chạm này thành những biểu đồ phân tích dữ liệu, liền mạch một cách bất ngờ và nhanh chóng. Có sự cạnh tranh công khai giữa các thí nghiệm Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) và các thí nghiệm tại Tevatron, cỗ máy va chạm proton-phản proton của nước Mĩ tại Fermilab ở Illinois, mặc dù Tevatron sắp phải đóng cửa. Đã chạy trong 25 năm vinh quang và sắp ngừng hoạt động vào cuối năm nay, Tevatron bất đắc dĩ phải rời sân chơi trước anh bạn châu Âu trẻ tuổi hơn và cường tráng hơn, và hiện đang cố gắng bắt lấy tín hiệu yếu ớt đầu tiên của boson Higgs trước khi đối thủ CERN của nó khám phá ra boson Higgs. Ngoài ra, còn có sự cạnh tranh nội bộ giữa hai thí nghiệm LHC chủ chốt: ATLAS và CMS. Thách thức đối với hai chương trình hợp tác lớn này không chỉ là việc tìm ra dấu hiệu của một boson Higgs; mà có lẽ còn thú vị hơn nữa là chúng sẽ cố gắng chứng tỏ xem kịch bản “nền vật lí mới” nào trên bảng đen của các nhà lí thuyết là cái kế thừa của “Mô hình Chuẩn” của ngành vật lí hạt. Bài toán đang đặt ra là làm sao lấp đầy những trang còn trống trong câu chuyện hấp dẫn của chúng ta về cái vô cùng nhỏ.
Vật chất cơ bản
Qua một thế kỉ nghiên cứu và một loạt quan sát thực nghiệm, các nhà vật lí hạt đã tích góp được một kiến thức chính xác về vật chất ở những cấp độ chiều dài ngắn nhất gồm một số lượng nhỏ các hạt sơ cấp bị tác dụng bởi bốn lực cơ bản như thế nào (hình 2). Chúng ta biết rằng vật chất gồm hai tá fermion – 6 lepton và 18 quark – tương tác bằng cách trao đổi một tá boson; một tay chơi nữa là một hạt mới, boson Higgs đặc trưng cho sự kích thích của chân không trong đó hạt sinh sống. LHC có thể sản sinh đủ năng lượng để “lắc mạnh” chân không này và vì thế cuối cùng có thể quan sát những “dao động Higgs” mà hơn 40 năm trước người ta đã nêu giả thuyết nhưng cho đến nay chưa được xác minh thực nghiệm.
Các thí nghiệm LHC được thiết kế với mục tiêu rõ ràng là tìm kiếm một viên gạch còn thiếu. Nhưng ngay cả với một boson Higgs, thỏa mãn và ngăn nắp như Mô hình Chuẩn, thì như thế nhất thiết là chưa hoàn chỉnh. Giống như lí thuyết cơ học cổ điển của Newton, cái chúng ta hiểu hiện nay là sự gần đúng tốc độ thấp của thuyết tương đối Einstein, Mô hình chuẩn được tin là cái chúng ta gọi là một lí thuyết tác dụng – lí thuyết chỉ hoạt động tốt trong một ngưỡng năng lượng hạn chế. Năng lượng mà lí thuyết ấy bắt đầu đổ vỡ và những hiện tượng mới trở nên hiển hiện là chưa rõ, nhưng các lập luận lí thuyết cho rằng năng lượng đó sẽ nằm trong tầm với của cỗ máy gia tốc mới.
Giống như những nhà người hang động bị giam giữ trong một góc nhỏ của một hang động khổng lồ chưa biết hết, các nhà nghiên cứu đã thận trọng khảo sát mọi lãnh thổ mà họ có thể thắp sáng với công nghệ hiện có; tuy nhiên, khả năng tưởng tượng của họ thì không dừng lại ở đó và không bao giờ cạn kiệt. LHC là một ngọn đèn mới, có khả năng soi sáng những vạt đất khổng lồ chưa từng được khám phá. Nơi ánh sáng xuất hiện, chúng ta hi vọng chúng ta cuối cùng sẽ nhìn thấy những đặc điểm phù hợp với lí thuyết tác dụng năng lượng thấp của chúng ta. Những hiện tượng mới này sẽ mang lại cho chúng ta những gợi ý quan trọng mà chúng ta cần đến để trả lời một số câu hỏi khó nuốt và mở rộng kiến thức của chúng ta về giới tự nhiên. Thí dụ, tại sao chỉ có ba thế hệ trường vật chất, chứ không phải bốn, hay năm, hay là mười thế hệ? Hay, có lẽ, có hay không một họ hạt “siêu đối xứng” là đối tác qua gương của những hạt mà chúng ta đã biết? Có thể những hạt này chưa được khám phá ra chỉ là vì chúng có khối lượng quá lớn và do đó không thể vật chất hóa chúng với những va chạm tạo ra bởi những máy gia tốc kém sức mạnh. Và không-thời gian có thật sự là 4D, hay chúng ta có thể tạo ra các hạt nhảy sang những chiều kích khác hay không? Những câu hỏi này cùng những câu hỏi trọng yếu khác chỉ có thể tìm thấy câu trả lời thực nghiệm nếu như chúng ta tiếp tục mở rộng tìm kiếm của mình.
Còn tiếp phần hai...
Theo Physics World, tháng 3/2011
