Hai nhà vật lí ở trường Cao đẳng Khoa học và Nghệ thuật Tự do và các đồng nghiệp của họ đang hăm hở chờ đợi các kết quả của một thí nghiệm theo lịch trình sẽ xuất hiện vào mùa thu tới tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) ở Thụy Sĩ.
Một cỗ máy rất lớn… để nhìn một cái rất nhỏ
Nếu thí nghiệm xác nhận nghiên cứu của họ, thì nó có thể làm thay đổi phương thức các nhà khoa học nghĩ về proton, những hạt tích điện dương, cùng với neutron, cấu tạo nên hạt nhân của nguyên tử.
Munir Islam, giáo sư danh dự và giáo sư nghiên cứu vật lí, cùng Richard Luddy, giáo sư nghiên cứu ở khoa vật lí đã lấy bằng tiến sĩ của ông ở đây hồi năm 2006, và hai đồng nghiệp người châu Âu đã báo cáo một mô hình cho cấu trúc của proton.
Cấu trúc của proton cho đến nay vẫn chưa được rõ. Nếu mô hình của họ được thí nghiệm LHC xác nhận, thì nó sẽ là một bước tiến quan trọng trong sự hiểu biết của chúng ta về proton.
Proton mà họ đang nghiên cứu nhỏ đến cỡ nào? Nhỏ đến mức nó sẽ được “nhìn” không phải bằng thị giác, mà là ảo giác, các nhà khoa học giải thích. Kích cỡ của nó được mô tả bởi 14 chữ số 0 đứng trước một chữ số 1 và nằm sau dấu thập phân, “một phần triệu của một phần tỉ” của một mét.
LHC đã khởi động lại vào tháng 11 năm 2009 sau lần hoạt động bị gián đoạn hồi năm 2008. Ngay trong tuần này, nó đã cho “lao” những proton đầu tiên của nó vào nhau, tức là đã thu được những va chạm proton-proton đầu tiên của nó.
Các thí nghiệm ở Thụy Sĩ mang các proton lại với nhau, trong số những hạt nhỏ bé nhất, và LHC là thiết bị khoa học lớn nhất thế giới và là cỗ máy va chạm hạt năng lượng cao nhất. LHC đặt tại CERN, Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu, ở gần Geneva.
Mô hình proton mà Islam nghiên cứu trong hơn 30 năm qua thể hiện một proton với ba lớp. Bị giam giữ trong lõi của nó là ba quark, hay những hạt hạ nguyên tử kiểu chất điểm, bao quanh bởi hai vòng “mây”. Vòng mây gần lõi nhất là cái các nhà vật lí mô tả là một tích lạ, một “tích baryon”. Vòng mây bên ngoài gồm các quark và phản quark ở trong trạng thái ngưng tụ.
Trong khi các nhà lí thuyết đã kiểm tra mô hình, sử dụng các thí nghiệm thực hiện trong hơn 25 năm qua tại những cỗ máy va chạm hạt nhỏ hơn tại CERN và tại Fermilab (Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia [Mĩ] ở gần Chicago), thì thí nghiệm sắp tới sẽ cung cấp những chi tiết cụ thể cần thiết để xét xem lí thuyết của họ có đúng hay không.
“Với những cỗ máy va chạm to lớn như thế này – nói chung, cứ giống như là thêm nhiều ảnh điểm nữa đối với một camera”, Luddy nói, để thu được độ chính xác cao hơn, tinh vi hơn.
Máy gia tốc LHC tại CERN to gấp 4 lần máy gia tốc Fermilab và có năng lượng cao gấp 7 lần. Đường hầm của LHC, trong đó những chùm hạt chạy ngược chiều nhau va chạm nhau ở tốc độ gần như bằng tốc độ ánh sáng, dài 17 dặm, một vòng tròn khổng lồ nằm sâu 100 mét bên dưới biên giới giữa Thụy Sĩ và Pháp. Nó được gọi là đường đua tốc độ nhanh nhất trên hành tinh chúng ta.
Cho đến nay, LHC vẫn chưa chạy ở tốc độ trọn vẹn; theo kế hoạch, nó chỉ mới sử dụng phân nửa năng lượng cực đại của mình.
Islam không trông đợi những kết quả sơ bộ trên thí nghiệm của mùa thu tới mãi cho đến năm 2011. Sau đó, LHC sẽ tăng mức năng lượng của nó lên 14 TeV, tương đương với cú hích 14 tỉ volt lên một hạt electron.
Thời gian thí nghiệm tại các máy gia tốc hạt được luân phiên cho các nhóm có thể bao gồm hàng trăm nhà khoa học đang nghiên cứu những vấn đề vật lí hạt cơ bản giống nhau. Thí nghiệm mà Islam đang chờ đợi sẽ chạy bởi chương trình TOTEM của các nhà khoa học, họ nghiên cứu sự tán xạ đang hồi, trong đó hai proton va chạm trực diện và tán xạ mà không tạo ra những hạt khác. Nó là một phần của một chương trình thực nghiệm sẽ định cỡ của LHC mới trong tương lai.
Các đồng nghiệp của Islam và Luddy đang phát triển mô hình proton là Jan Kaspar thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Cộng hòa Czech, và Alexei Prokudin, trước đây thuộc trường đại học Turin và hiện nay làm việc tại Thiết bị Máy gia tốc Quốc gia Thomas Jefferson ở Virginia, Mĩ.
Nhóm đã cho công bố một bài báo về nghiên cứu của họ trên số ra tháng 12 năm 2009 của tờ CERN Courier, the International Journal of High-Energy Physics.
Luddy đã nghiên cứu vấn đề lập mô hình proton trong 9 năm qua. Islam, đến UConn vào năm 1967 sau khi lấy bằng tiến sĩ tại trường Cao đẳng Hoàng gia London và thực hiện nghiên cứu tại đó và tại đại học Brown, đã nghiên cứu vấn đề đó lâu hơn nhiều. Nghiên cứu sinh UConn đầu tiên nghiên cứu lí thuyết đó cho luận án tiến sĩ của mình, Jerry Heines, đã hoàn tất bằng tiến sĩ của ông vào năm 1979.
“Để đạt tới kết quả này, chúng tôi đã mất tới 30 năm”, Islam nói.
Và phải chờ cho đến một cỗ máy đầy sức mạnh như LHC tại CERN mới biết được mô hình đã tiên đoán là có giá trị hay không.
Những nhóm nhà vật lí khác thì có những lí thuyết khác về cẩu trúc của proton, Islam cho biết.
Nếu thí nghiệm của mùa thu tới xác nhận mô hình proton do Islam và các đồng sự của ông đề xuất, thì nó sẽ là một bước tiến quan trọng trong sự hiểu biết của các nhà khoa học về proton, bốn nhà nghiên cứu phát biểu.
“Việc khám phá hợp lí về cấu trúc của proton tại LHC lúc bắt đầu thế kỉ 21 sẽ tương tự như việc khám phá ra cấu trúc của nguyên tử... lúc bắt đầu thế kỉ 20”, các tác giả viết trong bài báo CERN Courier.
Theo PhysOrg.com
