LHC sẽ tạo ra những lỗ đen mini, nhưng chẳng có gì đáng lo ngại

Trong sách vở và phim ảnh, lỗ đen là những con quái vật tham ăn nuốt chửng lấy các phi thuyền và hành tinh thiếu cảnh giác, nhai ngấu nghiến toàn bộ các thiên hà, hoặc mở ra cánh cửa sang những phần khác của Vũ trụ.

Mô phỏng sự sản sinh một lỗ đen ở ATLAS. Vết hạt này là một thí dụ của những dữ liệu mô phỏng đã được lập ra trên detector ATLAS thuộc thí nghiệm LHC. Những vết hạt này sẽ được tạo ra nếu một lỗ đen thu nhỏ được sinh ra trong một va chạm proton-proton. Một lỗ đen nhỏ như vậy sẽ phân hủy ngay tức thì thành những hạt khác nhau qua một quá trình gọi là sự phát bức xạ Hawking.

Cho nên ý tưởng cho rằng, với sự khởi động của Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC), các nhà vật lí cuối cùng đã tạo ra một cỗ máy có đủ sức mạnh để tạo ra những lỗ đen “mini” đã gây ra một số nỗi sợ hãi.

Nhưng chúng ta thật sự biết gì về những lỗ đen? Và một lỗ đen “mini” thì khác như thế nào với những người anh em khổng lồ của chúng đang hoành hành trong không gian ngoài kia?

“Những lỗ đen đơn giản nhất là những vật thể có một kì dị tại chính giữa và được bao quanh bởi một “chân trời sự cố”, Cigdem Issever ở Khoa Vật lí trường đại học Oxford giải thích. “Một khi một đối tượng nào đó tiến đến gần lỗ đen hơn bán kính của chân trời sự cố, thì nó không thể nào thoát ra: ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra và vì thế cái tên “lỗ đen” mới được John Archibald Wheeler đặt ra cho những vật thể này, tận hồi năm 1967”.

Một cái lỗ trên Mặt trời

Việc tạo ra lỗ đen hóa ra là bài toán khối lượng (năng lượng): nén khối lượng vào trong một quả cầu với bán kính bằng cái gọi là ‘bán kính Schwarzschild’ – một ngưỡng mà vượt qua giá trị đó lực hấp dẫn của một vật có mật độ nhất định làm cho vật tự co lại – và một lỗ đen sẽ ra đời.

“Thật ra thì bán kính Schwarzschild tỉ lệ thuận với lượng khối lượng bị nén vào, đồng thời tỉ lệ thuận với cường độ của lực hấp dẫn”, Cigdem nói.

“Thí dụ, để tạo ra một lỗ đen từ Trái đất của chúng ta, bạn chỉ cần nén khối lượng của nó thành một quả cầu có kích cỡ chừng một hòn bi (bán kính 8,9 mm). Để so sánh, bán kính Schwarzschild của Mặt trời là chừng 3 km”.

Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta cuộn Mặt trời của chúng ta lại thành một lỗ đen?

“Nếu chúng ta thay Mặt trời của chúng ta bằng một lỗ đen có khối lượng bằng như vậy, thì sẽ chẳng có thay đổi gì nhiều trong hệ mặt trời của chúng ta cả. Quỹ đạo của những hành tinh sẽ vẫn như cũ vì trường hấp dẫn mà lỗ đen ấy tạo ra sẽ đúng bằng trường hấp dẫn của Mặt trời. Tuy nhiên, phải thừa nhận, hệ mặt trời sẽ hơi chút tối tăm và lạnh lẽo!”

Nhưng niềm say mê của Sigdem đối với các lỗ đen không phải trên phương diện lí thuyết, mà với tư cách một nhà vật lí hạt, bà sẽ tìm kiếm những dấu hiệu của những lỗ đen “mini” trong những va chạm hạt LHC:

“Tôi trở nên say mê với chúng, với tư cách một nhà vật lí hạt, tận hồi năm 2003, vì các mô hình chiều không gian bổ sung tiên đoán rằng chúng có lẽ được tạo ra trong những tia vũ trụ năng lượng cao và, nếu đúng như vậy, cả trong những máy gia tốc hạt. Nếu chúng ta thật sự có thể tạo ra chúng, thì chúng có thể cung cấp cho chúng ta cái nhìn thực nghiệm sâu sắc vào trong những hiệu ứng hấp dẫn lượng tử”.

Bà hi vọng việc nghiên cứu chúng có thể dẫn đến sự thiết lập một lí thuyết của sự hấp dẫn lượng tử: sự se duyên của thiết tương đối rộng Einstein (mô tả sự hấp dẫn ở quy mô lớn) với cơ học lượng tử (mô tả vật lí học ở những khoảng cách rất nhỏ).

LHC đang cho va chạm proton lên proton. Những proton này cấu tạo gồm những thành phần nhỏ hơn, cái gọi là “hạt parton”, thật ra là những hạt mà LHC đang cho va chạm. Bán kính Schwarzschild của hai hạt parton đang va chạm – quark và gluon chẳng hạn – tại LHC ít nhất là thấp hơn 15 bậc độ lớn so với chiều dài Planck – khoảng cách hay kích cỡ nhỏ nhất mà một vật có thể thu được trong vũ trụ thông thường của chúng ta.

“Điều này có nghĩa là, trong những mô hình thông thường của vật lí học, không có con đường nào cho một lỗ đen sinh ra trong một va chạm của hai parton. Tuy nhiên, có những mô hình trôi nổi cho rằng cường độ hấp dẫn có thể trở nên lớn hơn đáng kể ở những khoảng cách rất nhỏ, lên tới 10 đến 38 bậc [10 với 38 con số 0] mạnh hơn”, bà nhận xét.

“Nếu đề xuất này đúng thì bán kính Schwarzschild của hai hạt parton đang va chạm trở nên đủ lớn, ở mức năng lượng khối tâm LHC, và việc hai parton đi qua nhau ở bán kính Schwarzschild của chúng là điều không phải không có khả năng nữa. Vì thế, xét cho cùng, chúng ta có thể tạo ra những lỗ đen vi mô”.

Có nên lo ngại về những lỗ đen “mini” ?

Vậy thì những lỗ đen nhỏ xíu này trông như thế nào? Chúng ta có nên lo ngại về chúng không?

Cigdem phát biểu: “Theo Stephen Hawking, những lỗ đen sẽ không hoàn toàn đen. Chúng sẽ bốc hơi theo thời gian gần đúng theo một phổ bức xạ vật đen. Tốc độ bốc hơi sẽ tỉ lệ nghịch với khối lượng lỗ đen”.

“Các lỗ đen thiên văn quá to nặng nên tốc độ bốc hơi của chúng là không đáng kể. Trái lại, những lỗ đen mini thì rất nóng: nóng không tưởng tượng nổi. Lõi Mặt trời của chúng ta chừng 15.000.000 độ Kelvin – để đạt gần tới nhiệt độ của một lỗ đen mini, bạn cần phải thêm vào 42 con số 0 nữa”.

“Nhiệt độ không thể tin nổi này có nghĩa là những lỗ đen mini với khối lượng nhỏ xíu ‘bốc hơi’ vào không gian lạnh hơn nhiều, nhiều lần xung quanh chúng là nhanh gần như vô hạn. Thời gian sống theo tính toán của chúng là khoảng một phần nghìn tỉ của một nano giây – cho nên chúng sẽ biến mất hầu như ngay tức thì khi chúng được tạo ra”.

Nếu chúng thật sự xuất hiện, chúng sẽ hầu như phát nổ ngay tức thì thành nhiều hạt mà detector ATLAS sẽ nhặt nhạnh được.

“Những hạt này sẽ có những đặc điểm rất kì lạ. Tổng năng lượng thu gom trên detector sẽ vào bậc vài TeV [tera electron volt] và số lượng hạt trạng thái cuối cùng sẽ rất lớn. Những dấu hiệu của lỗ đen khó có thể bị bắt chước bởi những hiện tượng vật lí khác, cho nên nếu chúng được tạo ra, người ta sẽ không dễ gì bỏ lỡ chúng”, Cigdem bổ sung thêm.

Rốt cuộc, cuộc săn đuổi đã bắt đầu: hôm nay, 30/3, LHC đang nhắm tới các mức năng lượng 7 TeV có lẽ sẽ cho phép chúng ta lần đầu tiên nhìn thấy một số hiệu ứng lượng tử hấp dẫn.

Theo PhysOrg.com