Kế hoạch cho cỗ máy va chạm tiếp theo của thế giới

Đã từng chỉ đạo xây dựng khám phá ra một hạt trông tựa như boson Higgs, Lyn Evans vừa được Ủy ban Quốc tế về Máy gia tốc Tương lai bổ nhiệm làm giám đốc đầu tiên của máy gia tốc thẳng hồi tháng 6. Biên tập viên Hamish Johnston của tạp chí Physics World của Anh đã đến Geneva tìm hiểu về công việc mới của Evans, xem ông phát triển Máy Va chạm Thẳng Quốc (ILC) và Máy Va chạm Thẳng Nhỏ (CLIC) – hai dự án đang cạnh tranh nhau là cơ sở vật lí hạt lớn tiếp theo sau LHC.

Đã từng giúp xây dựng Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN, Lyn Evans hiện đang lên kế hoạch cho thí nghiệm vật lí hạt lớn tiếp theo với vai trò mới của ông là giám đốc máy va chạm thẳng. (Ảnh: CERN)

Việc khám phá ra boson Higgs tại LHC sẽ ảnh hưởng như thế nào đến thiết kế của máy va chạm thẳng trong tương lai?

Hiện nay có vẻ như chúng ta đã có hạt Higgs ở một khối lượng thấp, chúng ta biết năng lượng tối thiểu – khoảng 250 GeV – tại đó một máy va chạm thẳng có thể bắt đầu công việc vật lí hấp dẫn. Tuy nhiên, chúng ta vẫn cần có LHC hoạt động ở năng lượng 14 TeV trọn vẹn của nó để chỉ dẫn chúng ta hướng đến những cái khác có lẽ chúng ta cần đến.

CLIC và ILC sánh với nhau như thế nào?

CLIC và ILC là hai khái niệm tách biệt. Cả hai được thiết kế để gia tốc và cho các hạt electron và positron va chạm nhau. Mặc dù có những sự tương đồng giữa hai dự án – nhất là ở các máy dò hạt – nhưng có những khác biệt lớn ở những cấu trúc gia tốc. ILC xây dựng trên công nghệ siêu dẫn, gồm một chuỗi những buồng gia tốc được cấp nguồn bằng những klystron. Công nghệ đó đã chín muồi và phần lớn nỗ lực phát triển trên ILC hiện nay tập trung vào việc công nghiệp hóa công nghệ trên. Xét về mặt năng lượng, thì công nghệ trên có một chút hạn chế nhưng nếu chúng ta muốn một năng lượng va chạm toàn phần 500 GeV thì ILC sẽ là hoàn hảo. Cuối cùng, chúng ta có thể đẩy năng lượng đó lên tới khoảng 1 TeV.

Còn CLIC thì sao?

CLIC xây dựng trên công nghệ hoàn toàn mới, và còn trong giai đoạn R&D (nghiên cứu và phát triển). Nó có gradient gia tốc cao hơn nhiều và do đó có thể hoạt động ở những năng lượng va chạm cao hơn. CLIC xây dựng trên khái niệm hai chùm hạt trong đó một chùm “lái” chạy song song với chùm được gia tốc – và năng lượng truyền từ chùm này sang chùm kia.

CLIC sẽ hoạt động ở mức 11 GHz, trong khi ILC sẽ chạy khoảng 1 GHz. Như vậy sẽ mang lại cho CLIC một gradient gia tốc 100 MV/m cao hơn so với 31 MV/m của ILC. Điều này có nghĩa là, với một năng lượng gia tốc cho trước, CLIC sẽ ngắn hơn đáng kể so với ILC – hay nói cách khác, CLIC có thể đạt tới một năng lượng cao hơn, lên tới 3 TeV, với một chiều dài cho trước.

Cần phải làm những gì trước khi thiết kế thắng cuộc được chọn?

Một quyết định ban đầu là xây dựng một máy va chạm thẳng sử dụng công nghệ ILC vì nó đã chín muồi. Trong khi đó, không có sự bảo đảm của một quyết định ban đầu, chúng ta sẽ tiếp tục phát triển công nghệ CLIC đến mức chín muồi rồi chúng ta có thể so sánh hai lựa chọn theo khả năng khoa học và chi phí.

Kế hoạch là đưa các đội phát triển CLIC và ILC đến với nhau và hướng họ theo một xu thế chung. Cả hai công nghệ sẽ được phát triển song song trong ba hoặc bốn năm cho đến khi có một quyết định cuối cùng được đưa ra về cái thật sự sẽ được xây dựng. Quyết định đó sẽ được thực hiện trên phương diện vật lí và không lệ thuộc chính trị hay thiên kiến cá nhân. Công việc của tôi là khuyến khích đối thoại nhiều hơn nữa giữa cộng đồng CLIC và ILC. Tôi cũng cần đảm bảo rằng chúng ta ở trong tình thế có sự quyết định tập thể, dựa trên những nhu cầu khoa học về thiết kế máy va chạm nào được chọn – mà không cần quá nhiều cảm xúc.

Đâu là những khác biệt chính giữa một máy va chạm thẳng và LHC?

Một máy va chạm thẳng cho va chạm các lepton như electron và positron, đó là những hạt sơ cấp. Hệ quả là những va chạm đó tạo ra một số lượng hạt tương đối ít. LHC cho va chạm các hadron, đó là những hạt có cấu tạo gồm quark và gluon. Trong LHC, chúng ta muốn nghiên cứu các va chạm mạnh giữa những thành phần cơ bản, nhưng có rất nhiều những cách khác để các proton có thể va chạm. Có thể sánh nó như việc cho hai quả cam lao vào nhau chỉ để xem các hạt cam va chạm – đó là mớ lộn xộn. LHC là một cỗ máy đẹp cho khám phá nhưng nó kém tốt ở phép đo chính xác hơn máy gia tốc thẳng. Cũng có những quá trình cơ bản chỉ có máy va chạm lepton mới có thể xử lí.

Ông có nghĩ rằng máy va chạm thẳng có thể xây dựng theo từng giai đoạn?

Phương pháp xây dựng theo giai đoạn trông hấp dẫn ở chỗ nó giảm chi phí ban đầu. Chúng ta có thể bắt đầu ở một năng lượng thấp và nâng năng lượng lên đơn giản bằng cách xây dựng cỗ máy dài hơn theo các năm – cái đó không thể thực hiện được với một máy gia tốc tròn. Khoảng chừng 250GeV là mức năng lượng tốt để khởi điểm và sẽ giảm rất nhiều chi phí.

Máy va chạm thẳng sẽ được xây dựng ở Nhật Bản phải không?

Nhật Bản đang xem xét vấn đề đó rất nghiêm túc. Họ có đóng góp lớn cho sự xây dựng LHC và hiện nay có lẽ đã sẵn sàng làm đất chủ cho một cơ sở quốc tế mới. Có hai địa điểm ở Nhật Bản đã được tài trợ để khảo sát địa chất và sẽ không có gì bất ngờ với tôi nếu như người Nhật đưa ra đề xuất xây dựng một máy gia tốc thẳng trong vài ba năm tới.

Nhưng nỗ lực phát triển máy gia tốc thẳng sẽ có trụ sở ở đâu?

Giống như LHC, nó là một nỗ lực quốc tế. Tôi sẽ làm việc tại CERN và đội CLIC cũng ở đây tại Geneva cùng với các trường viện hợp tác chủ yếu ở châu Âu, nhưng cũng có ở Mĩ, Australia và Nhật Bản. Dự án ILC thì phân tán trên khắp thế giới. Có nghiên cứu đang diễn ra tại KEK ở Nhật Bản, DESY ở Đức và một vài phòng thí nghiệm ở Mĩ, trong đó có Fermilab và Brookhaven. Có một cơ sở tại Fermilab, ở đó các module ILC đã được kiểm tra. Module đầu tiên là ở đó và module thứ hai vẫn đang xây dựng. Tuy nhiên, tình hình ngân quỹ ở Mĩ lúc này rất không chắc chắn. Tại DESY, họ đang xây dựng một laser electron tự do sử dụng công nghệ rất giống với ILC và đây sẽ là một bệ thử quan trọng. Cũng có một công trình phát triển ILC đang diễn ra ở Nhật Bản.

Với cỗ máy mà ông từng làm quân sư, liệu chúng ta có thể trông đợi một nâng cấp cho LHC vượt khỏi năng lượng thiết kế 14 TeV của nó hay không?

Một nâng cấp cho LHC là người không có đầu óc – LHC là một cỗ máy đẹp và có thể hoạt động tốt hơn nhiều so với thiết kế ban đầu của nó. Một chương trình nâng cấp phải là nỗ lực chính của CERN trong 15 năm tiếp theo. Chắc chắn chúng ta sẽ tăng năng lượng từ 8 TeV lên 14 TeV sau thời gian nghỉ dưỡng kĩ thuật 2013-2014 và còn có một kế hoạch nâng độ rọi của LHC lên trong 5 năm, nhưng việc tăng gấp đôi năng lượng lên khoảng 30 TeV sẽ đòi hỏi những nam châm 16 T. Lúc chúng ta bắt đầu lên kế hoạch LHC, chúng ta đã không thể chế tạo những nam châm 8 T hiện nay của nó, nhưng nghiên cứu R&D có thể mang đến công nghệ đó. Tuy nhiên, điều quan trọng nên nhận ra là ở một năng lượng cao hơn, LHC về cơ bản sẽ là một máy va chạm mới, trong khi độ rọi có thể tăng lên thêm. Mọi người đều tán thành rằng ưu thế vượt trội của CERN là khai thác LHC đến tiềm năng trọn vẹn của nó đồng thời góp sức vào nỗ lực quốc tế hướng đến cỗ máy va chạm thẳng tiếp theo.

Trần Nghiêm (thuvienvatly.com)
Dịch từ Physics World, tháng 8/2012