Công việc đáng khao khát nhất của các nhà vật lí nghiên cứu hạt sơ cấp là: cho các hạt hạ nguyên tử lao vào nhau ở tốc độ kinh khủng để làm sáng tỏ những bí ẩn của vũ trụ.
Máy va chạm nguyên tử, hay máy gia tốc hạt, cho các hạt va chạm với các nguyên tử hay các hạt hạ nguyên tử khác ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, làm sinh ra những hạt mới và bức xạ, chúng sẽ cho các nhà khoa học biết về những viên gạch cấu trúc của vật chất.
“Mục tiêu của chúng tôi luôn là tìm hiểu thế giới được chắp ghép với nhau như thế nào,” phát biểu của Roger Dixon, trưởng phân viện máy gia tốc tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia Fermi (Fermilab) ở Batavia, bang Illinois, Mĩ.
Thí nghiệm ALICE tại Máy va chạm Hadron Lớn nghiên cứu các va chạm ion nặng để tìm kiếm một món súp quark-gluon tương tự với trạng thái của vũ trụ sơ khai. Ảnh: CERN
Khi nói tới va chạm nguyên tử, người ta thường nghĩ tới những máy gia tốc hạt khổng lồ tại các phòng thí nghiệm dưới lòng đất trên thế giới. Nhưng thật ra, một số ti vi cũng là máy gia tốc hạt. Tên gọi “đèn hình” có tên gọi từ ống tia cathode, ống chân không bắn một chùm electron lên màn hình huỳnh quang. Các electron va chạm với các phân tử phosphor trên màn hình, tạo ra một điểm sáng, hay một pixel.
Các máy va chạm nguyên tử khổng lồ hoạt động theo nguyên lí tương tự, nhưng với quy mô lớn hơn nhiều. Các hạt chuyển động nhanh hơn nhiều và các va chạm tạo ra nhiều hạt nguyên tử và nhiều bức xạ hơn – làm biến đổi năng lượng thành khối lượng, như mô tả bởi phương trình E = mc2 nổi tiếng của Einstein.
Tầng hầm của Máy Va chạm Hadron Lớn, nơi các chùm hạt chuyển động bên trong các ống trước khi va chạm với nhau. Ảnh: CERN
Các máy gia tốc hạt có hai dạng: Máy gia tốc thẳng cho các hạt chuyển động theo đường thẳng đến mục tiêu va chạm của chúng, và máy gia tốc tròn, hay synchrotron, cho các hạt chuyển động vòng theo đường dẫn tròn.
Những máy gia tốc lớn trên thế giới
Máy gia tốc lớn nhất, mạnh nhất thế giới là synchrotron Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) tại CERN, ở Geneva. Nằm sâu 175 mét bên dưới biên giới Pháp-Thụy Sĩ, LHC có chu vi 27 km. Lòng đất che chắn máy gia tốc trước bức xạ vũ trụ, chúng có thể sinh ra những hạt tản lạc làm nhiễu đến các thí nghiệm.
Bên trong LHC, hai chùm proton lao vun vút vòng quanh tầng hầm theo hai chiều ngược nhau, chúng được tăng tốc bởi nhiều hộp cộng hưởng tần số vô tuyến. Các hộp cộng hưởng tạo ra một điện trường cùng chiều với các hạt, cấp cho hạt một cú hích năng lượng khi chúng lao qua – giống hệt như kiểu bố mẹ đẩy trẻ ngồi trên vòng quay ngựa gỗ.
Mỗi chùm hạt chuyển động trong ống riêng của nó, chúng được giữ trong điều kiện chân không cực cao (áp suất không khí thấp hơn trên mặt trăng). Các chùm hạt được lái bởi một nam châm điện siêu dẫn 8,3 tesla – tức mạnh gấp 100.000 lần từ trường của Trái đất. Các nam châm được làm lạnh xuống tới nhiệt độ 2 kelvin (- 271oC) sử dụng hệ thống nhiệt lạnh lớn nhất thế giới.
Khi các proton đã gia tốc va chạm nhau, các máy dò sẽ “nhìn thấy” những hạt và bức xạ do chúng sinh ra.
Các nhà khoa học sử dụng LHC để tái tạo các điều kiện tức thời sau Big Bang. Hồi tháng 7/2012, LHC đã thu hút sự chú ý của cả thế giới khi các nhà khoa học báo cáo khám phá ra boson Higgs, hạt giả thuyết lí giải khối lượng của những hạt khác.
“Chúng ta sẽ không có mặt nơi đây, chúng ta sẽ không có khối lượng, chúng ta sẽ không tồn tại nếu không có hạt này,” phát biểu của Steve Myers, giám đốc phụ trách các máy gia tốc và công nghệ tại CERN. Việc tìm thấy boson Higgs “giống như là mò thấy cái kim dưới biển vậy,” Myers nói.
LHC ngừng hoạt động trong năm 2013 để nâng cấp năng lượng chùm hạt, và theo lịch trình sẽ mở cửa trở lại vào đầu năm 2015.
Ở nước Mĩ, Fermilab là nơi có cỗ máy gia tốc hạt lớn thứ hai thế giới, Tevatron. Trước khi nó ngừng hoạt động vào năm 2011, Tevatron là máy gia tốc đầu tiên sử dụng nam châm siêu dẫn, và nó đã khám phá ra một hạt hạ nguyên tử mới gọi là quark top (quark đỉnh).
Máy bơm hạt chính của Fermilab dành cho Tevatron hiện vẫn còn hoạt động, và các khoa học sử dụng nó để gửi đi một chùm neutrino đến một khu quặng mỏ dưới lòng đất ở Minnesota cách đó 732 km. Máy bơm hạt chính của Fermilab là một bộ phận của một chuỗi máy gia tốc kết nối tới Tevatron. Nó gia tốc proton và phản proton rồi đưa vào Tevatron.
Trong tương lai, các kĩ sư Fermilab hi vọng chế tạo một máy gia tốc thẳng sử dụng các hộp cộng hưởng siêu dẫn tần số vô tuyến, chúng là buồng kim loại tạo ra điện trường cần thiết để gia tốc các hạt lên năng lượng cao.
Máy va chạm hạt duy nhất hiện đang hoạt động ở nước Mĩ là Máy Va chạm Ion Nặng Tương đối tính (RHIC) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Upton, New York.
Những máy gia tốc khác
Nếu LHC và Tevatron là những tàu con thoi vũ trụ của thế giới máy gia tốc, hoạt động trong ngưỡng tera (nghìn tỉ) electron-volt, thì các máy gia tốc giga (tỉ) electron-volt (GeV) là những chiếc máy bay chở khách.
Xét Máy gia tốc Thẳng Stanford, hay SLAC, ở Menlo Park, California. Dài 3,2 km, máy gia thẳng chính của SLAC là dài nhất trên thế giới. Nó tạo ra các electron, sử dụng một nguồn ion tần số vô tuyến để gia tốc các electron và positron (phản hạt của electron) lên tới năng lượng 50 GeV.
Nhưng những máy gia này bị hạn chế bởi điện áp cực đại mà chúng chịu được. Hiện nay, các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Texas ở Austin và nhiều nơi khác đang phát triển một loại máy gia tốc hoàn toàn khác – máy gia tốc “để bàn”.
Gregory McLaskey đang kiểm tra một mẫu máy gia tốc để bàn tại UC Berkeley. Ảnh: Preston Davis
Những máy gia tốc để bàn này chiếu một xung laser vào khí helium để tạo ra plasma, một trạng thái năng lượng cao của vật chất trong đó các nguyên tử bị tước mất eletron của chúng. “Theo định nghĩa, plasma là trạng thái vật chất đã bị “tháo rời” hoàn toàn, do đó không còn hạn chế điện áp nữa,” phát biểu của nhà vật lí Michael Downer thuộc đội UT Austin.
Giống hệt như một con tàu để lại lằn tàu trongnước, chùm tia laser để lại một đường lằn trong plasma, và các electron tăng tốc bằng cách “lướt sóng” trên đường lằn này. Sử dụng hệ thống của Downer, các electron có thể được gia tốc đến 2 GeV, một năng lượng sẽ cần đến chiều dài của hai sân bóng nếu sử dụng máy gia tốc bình thường.
Ở những năng lượng thấp hơn nhiều, các máy gia tốc hạt được sử dụng phổ biến trong y khoa. Liệu pháp hạt được sử dụng trong điều trị ung thư, sử dụng chùm proton năng lượng cao hoặc những hạt khác.
Theo Tanya Lewis – LiveScience
