Các nhà vật lí tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) đang phân tích kết quả của nỗ lực đầu tiên của họ cho các proton va chạm với ion chì. Người ta đang trông đợi những nỗ lực va chạm proton-chì khác trong vài tuần tới. Nếu những thử nghiệm này thành công, thì một chương trình thực nghiệm nở rộ có thể hoạt động trong năm 2012.
Kể từ khi phòng thí nghiệm ở Geneva bắt đầu thí nghiệm với LHC hồi năm 2009, nó chủ yếu được sử dụng để gửi hai chùm proton theo hai hướng ngược nhau vòng quanh một máy gia tốc chu vi 27 km, với hi vọng phát hiện ra, trong số những mục tiêu khác, boson Higgs trong những va chạm thu được. Hai chùm ion chì cũng đã được cho lao vào nhau để tái tạo vật chất nóng đặc, gọi là plasma quark-gluon, có mặt trong vũ trụ sơ khai.
Những để hiểu đầy đủ kết quả của những va chạm như thế, các nhà vật lí cần phải biết tính chất của các ion chì trước khi chúng va chạm. Nghĩa là, “trạng thái lạnh” của chúng trước khi những lượng nhiệt khổng lồ được các va chạm giải phóng ra. Một cách làm như vậy, theo Urs Wiedemann tại CERN, là cho các proton va chạm với ion chì.
Đường dẫn chùm hạt LHC. Cho proton va chạm với chì là khó vì cả hai chùm hạt được lái bởi những nam châm giống nhau. (Ảnh: CERN)
Sự phân bố parton
Vấn đề là hiện nay kiến thức của chúng ta về “các hàm phân bố parton” cho các ion chì năng lượng cao không đủ tốt để hiểu đầy đủ kết quả của các va chạm chì-chì tại LHC. Parton là các quark và gluon tạo nên các hadron như proton và neutron – và do đó là hạt nhân chì. Ở những năng lượng thấp, có thể nghĩ các hadron chỉ chứa ba quark hóa trị tương tác thông qua gluon. Tuy nhiên, ở những năng lượng tìm thấy trong LHC, các hadron gồm một số lượng lớn những parton khác có thể ảnh hưởng đáng kể đến cách thức các va chạm xảy ra. “Biển” parton này được mô tả bằng một hàm phân bố, nó không thể được tính với mức độ chính xác như mong muốn – cho nên các nhà vật lí phải dựa trên các phép đo thực nghiệm.
Ưu điểm của va chạm chì-proton là khi một proton lao vào một hạt nhân chì, nó không làm hạt nhân đó nóng lên nhiều lắm. Do đó, có thể phân tích các va chạm để làm sáng tỏ những chi tiết quan trọng về các hàm phân bố parton của ion chì ở trạng thái lạnh của chúng.
Thử nghiệm đầu tiên ‘thành công’
Thử nghiệm đầu tiên diễn ra hôm thứ hai và kéo dài 16 giờ đồng hồ. Nhà vật lí máy gia tốc CERN John Jowett mô tả là “cực kì thành công”. Jowett và các đồng sự trước tiên đưa một vài chùm ion chì vào với 304 chùm proton. Một vài chùm trong số chúng sau đó được gia tốc đến năng lượng đầy đủ hiện nay của LHC là 3,5 TeV cho proton và 287 TeV cho chì – hay 1,38 TeV trên mỗi nucleon chì.
Tại mức năng lượng đỉnh này, các hai chùm tia cực kì tương đối tính. Điều này có nghĩa là với một sự điều chỉnh nhỏ của quỹ đạo, các proton và ion chì đồng thời hoàn thành một vòng quay quanh máy gia tốc. Ban đầu, các chùm chì và proton gặp nhau cách thí nghiệm ATLAS chừng 9 km, nhưng đội khoa học đã có thể chuyển chỗ gặp nhau này lùi ngược đến trung tâm ATLAS. Thủ tục này canh thẳng các chùm hạt để chúng va chạm hợp lí trong cả bốn thí nghiệm.
Jowett nhấn mạnh rằng các chùm hạt cách nhau trên phương ngang nên chẳng có va chạm nào xảy ra hết. Ông bổ sung thêm, “Chúng tôi vẫn cần làm một số phân tích dữ liệu của chúng tôi để xác định cỡ chùm ion chì có đang nở rộ hơn so với chúng thường biểu hiện bởi những hiệu ứng khác hay không – điều đó quan trọng trong việc dự tính hiệu quả tương lai”.
Những phiên bản va chạm proton-chì khác đã được lên kế hoạch tại LHC trong bốn tuần sắp tới, mặc dù đa phần thời gian chùm hạt trong tháng 11 sẽ dành cho các va chạm chì-chì.
Nguồn: physicsworld.com
