Tìm hiểu về Máy gia tốc hạt Large Hadron Collider (LHC) pdf

Tìm hiểu về Máy gia tốc hạt Large Hadron Collider (LHC) Đầu tiên, xin nói về tên gọi của cỗ máy: Large Hadron Collider (LHC), có thể hiểu là "Cỗ máy tạo va chạm hạt Hadron". Hạt Hadron là tên gọi cho nhóm các hạt có kích thước dưới cả mức nguyên tử (subatomic), được cho là những hạt cơ bản của vũ trụ. Từ "bắn phá" chúng ta thường dùng là bởi chức năng của chiếc máy này là phóng những hạt cơ bản lên tới một vận tốc cực lớn để chúng đâm vào nhau. Với cỗ máy LHC, các hạt được cho di chuyển trên một quỹ đạo tròn cực lớn để tạo gia tốc, và sau cùng bắn vào một chùm hạt khác. Một góc của Large HadronCollider Sau khi có mộtchútkhái niệm về chiếc máy,ta hãy cùnglàm rõ vấn đề bằng cách trả lời một số câu hỏi sauđây: Công việc của các nhà vật lí hạt là gì? - Hiểu nôm na,ta có thể nói công việc của những nhà vật lý này là nghiên cứu về các loại hạt,và cụ thể hơn là cho chúng vachạm với nhauvà rút ra kết luận vật chất được tạo ratừ đâu, và chúngkết nối với nhau như thế nào. Tại sao nói máy bắn phá hạt có thể được các nhà vật lý sử dụng để tạo ra vụ nổ kiến tạo vũ trụ - vụ nổ Big Bang? Vậy liệu chiếc máy này có phải là một cỗ máy thời gian? - Các nhà vậtlý cho rằng các quy luật vật lý đã phát triển cùngvới việc nguội đi củavũ trụ từ hàng tỉ hay hàng nghìntỉ (10 mũ 12) độ đến nhiệt độ ngày nay.Khi vũ trụ nguội đi, các nhà vật lý cho rằng mọi thứ cũng vì thế trở nên phức tạp đi. Các khái niệm như "hạt" hay "lực" mộtthời đượccho là mộtqua thời gian trở thành những hiệntượng có thể được phân biệtrõ ràng, như proton, electronvới lực hấp dẫn, lựcly tâm cũngnhư ngày xưatiếng Tây BanNha, Pháp và Ýđều bắt nguồn từ tiếng Latincổ, nhưng ngàynay lại muôn hình vạn trạng. Nói tóm lại, các nhà khoa họccho rằng "hạt" hay "lực" cũng đitừ một thứ mà ra,ngaytừ đầu tiênnhất đó là vụ nổ Big Bang. Bằng việc tạo vachạmgiữa các hạt cơ bản - hạt proton - các nhàvật lý tạo ra những quả cầu lửa nhỏ, hay là những vụ nổ BigBang quy mô nhỏ, chứađựngtrong đó các điều kiện của vũ trụ thời kì sơ khai, vàtừ đó có thể tìm hiểu được chuyện gì đã diễn ra trong thờikì đó. Chiếc máy bắn phá hạt này được đặt dưới lòng đất gần biên giới Thụy Sĩ - Pháp và có chu vi lên đến 17 dặm (tương đương 27km). Có tới trên 10.000 nhà vật lý và nhà nghiên cứu khoa học từ 85 quốc gia làm việc tại đây. Tại sao nó lại lớn đến thế? - Nhàbác học vĩ đại Einsteinđã chứng minhcho chúng ta rằng mức năng lượng và khối lượng vật chất là tương đương với nhau(*).Vì vậy, khicàngnhiều năng lượngđược dồnnén vào trong một quả cầu lửa nêu trên thì quả cầu nàysẽ càng lớn("lớn" ở đây giống như khi quy sức mạnhcủa bomnguyên tử về số tấn thuốcnổ TNT). Từ đó dẫn tới việc cỗ máy bắn phá hạt phải đủ lớn và đủ mạnhđể thực hiện được va chạmđủ lớn để nén đủ lượng năng lượng vào một hạtproton. Hơn nữa,các hạt chuyển động với vận tốccàng lớn thì sẽ càng khó hơn để có thể bẻ cong đườngđi củachúng để chúngcó thể chuyển độngthànhmột vòng trònvà va chạm với nhau. (Cỗ máy LHCđược thiếtkế để các hạt protoncó thể chuyển độngtròn dướitác dụng của một từ trường đều tạo ra nhờ một hệ thống nam châmđiện, cóhướng vuông góc với vận tốccủa hạt.Điện trường xoaychiều sinh ra trong lòng máy có tác dụng tăng tốc cho hạt trong quátrình chuyển động: Vận tốc hạt ngày càngtăng cùngvới bán kínhquĩ đạo. Khi động năng củahạt tănglên đến giá trị đủ lớn thì người ta cho chùmhạt bắnphá vào mộtchùm hạt bay ngược với nó để tạo raphản ứnghạt nhân.) Mặc dù hệ thống namchâm điện trong cỗ máy LHC thuộc loạinam châm điện mạnh nhất từng được chế tạo, cácnhà nghiên cứu vẫn chưa thể bẻ cong đường đicủacác hạtproton với bánkính quĩ đạo íthơn 2,7 dặm (~4,5km). Nói tómlại, nếu chỉ để trả lời ngắn gọn câuhỏi đã nêu, tacó thể hiểu như sau:Cỗ máy cànglớnthì có bộ giatốc càng mạnh,bộ gia tốc càng mạnh thì tạo ragia tốc lớn, từ đó vụ va chạm càngmạnh, và nhờ đó những nhà nghiên cứusẽ có thể dễ dàng tìm hiểu đượcbản chất của vũ trụ. (*) Có thể bạn sẽ thắc mắc tại sao năng lượng và khối lượng lại tương đương khi e=mc^2 cơ mà, thì xin trả lời khi xét với đơn vị tự nhiên (Natural units) thay vì đơn vị vật lý (Physical units) thì các hằng sẽ bằng 1) Các nhà vật lý hy vọng sẽ tìm ra được điều gì? - Để hiểu được thế giới chúngta từ đâu màra, được tạo ratừ những gì, và nhiều hơn thế nữa Trênlý thuyết, chúngta hiệnvẫn chưathể tìm hiểu được hết tất cả các hạt cấu thành nên hạt cơ bản, ví dụ như các hạt gluino, photino, squarkvà wino.Lý do của việc này đơngiản làvì chúng tachưa thể có đủ nguồn năng lượng để tạo ra một vụ va chạm hạtđủ mạnh. Nếu bất kỳ một trong những hạt này tồn tại đều cóthể tạo thành những đám mây vật chất tối ("dark matter"),dạng vật chất được cho là yếu tố cấu thành nên lực hấp dẫn trong vũ trụ giúp "giữ" các thiên hàcũngnhư các cấu trúc vũ trụ khác. Thêmvào đó, một mắtxích vô cùngquantrọng chưa được tìmra nhưngbiết rằng có tồntại (quacác nghiên cứu) trongcác quyluậtvật lý củachúng ta là sự hiện diện củamộtloại hạt đượcgọi là Higgsboson(bozon), theo tên nhàvật lý Peter Higgscủa Đại học Edinburgh.Theo các cơ sở khoahọc đã biết,Higgs bosonđóng vai tròtạo ra thứ mà chúng ta gọi là "khối lượng" củamọi vật chất, lí giải tại saovật nặng lại khó dichuyển hơnvật nhẹ, v.v Hạt này làm đượcđiều đó bằng cách đóng vai tròmột "chất kết dính" cáchạt tạo nênvật chất khichúngchuyển động. *Bạn có thể xem mẩu chuyện vui ở cuối bài để dễ hiểu hơn về hạt Higgs. Vậy, cần bao nhiêu năng lượng để tạo ra những quả cầu lửa? Với cỗ máy LargeHadronCollider,năng lượng cần có hiệnlà 3500 tỉ (3.500.000.000.000) electron volt (eV)mỗi proton - nếu so rachỉ bằng năng lượng một con bọ cần để di chuyển qua lại. Con số này nghecó vẻ nhỏ bé, nhưng ta phải chú ý đến từ mỗi proton: đối với một protonđườngkính chỉ 10^-10m(cótài liệu ghi là 10^-15m),lượngnăng lượngtrên làcực lớn. Electron volt (eV) là gì? - Một electronvolt (1eV)là lượngnăng lượngmột electronthu được khi dichuyển từ cực âm tới cực dươngmộtviên pin1 volt.Đâylà một đơnvị năng lượng thường được dùng bởi các nhàvật lý. Khi các hạt va chạm với nhau liệu sẽ có vụ nổ lớn? - Khi các hạt vachạm,hầu như không có âmthanhgì cả.Nếu bạntưởng tượng sẽ như một vụ nổ bom thì hoàntoàn không phải như thế. Các vụ nổ BigBang "mini" mà chúngta thấy chỉ tồn tạitrong thờigian cực ngắn (có thể còn nhỏ hơnmộtphần trăm giây) Nhưng trong các thử nghiệm trước đây đã có một vụ nổ thực sự? - Trongcuộcthử nghiệm máybắn phá vào tháng9 năm 2008,đường nối điện giữa một cặp namchâmkhổnglồ đã bị phá hủy.Có hàng ngàn kết nối như vậy trong cỗ máy, nhiều trong số đó hiện được cho là mắc lỗi. Đây chính là lí do mà máy sẽ chỉ được chovận hànhvới một nửasức mạnh trong hainăm tới. Nhiều thông tin cho rằng cỗ máy bắn phá hạt này có thể tạo ra một lỗ đen và phá hủy trái đất? - Không có bằng chứng nào chứng tỏ được rằng cácvụ va chạm giữa các hạt có thể tạo ra lỗ đen, haynếu có, các lỗ đen cũng chưa hề gây ra thiệt hại. Ngay cả theo cáclý thuyết rộng nhấtvề lỗ đen,cỗ máy LargeHadron Collidervẫn không đủ mạnhđể tạo ra một hố đen. Vậy, để tóm lược lại kiến thức về cỗ máy bắn phá hạt Large Hadron Collider, chúng ta cần nhớ một số điểm sau: - Cỗ máy LHC có kích thước cực kì lớn, có cấu trúc tròn chu vi lên đến 27km, được đặt tại CERN (Tổ chứcnghiên cứu nguyên tử Châu Âu- Organisation Européennepour la RechercheNucléaire) ở dưới lòngđất biên giớiPháp - ThụySĩ - Khi bắnvàonhau sẽ không hề có tiếng động haydấu tích gì - Nguy cơ gây ra lỗ đen hầu như không có, nhưngnếu cóthì quymô lỗ đen không đáng ngại - Máy bắn phá hạtsẽ cólợi rất nhiều hơn chonghiêncứu khoahọc: tìm rasự ra đời và quy luật củavật chất - Và quan trọng nhấtlà đôi nét tiêu biểu về nguyên tắc hoạt động: + Tăng tốc các hạt proton bằng cáchcho chúng di chuyển vận tốc rất gần với tốc độ ánh sáng (99.9999% tốc độ ánh sáng) + Các hạt sẽ bay trong suốt cấu trúc chu vi 27kmnhờ vào lực điện từ + Các hạt sẽ được chova chạm vớimột chùm hạt khácbaytheo hướngngược lại. + Các hạt va chạm với nhau, sẽ tạo ra các quả cầulửa nhỏ mà chúng ta có thể xem là các vụ nổ Big Bangở quy mô nhỏ + Từ các cơ sở đó, các nhà vật lýhạt vànhà nghiên cứu khoahọc sẽ có thể khám phá ra nhữngđiều màhọ tìm kiếmlâu nay. . Tìm hiểu về Máy gia tốc hạt Large Hadron Collider (LHC) Đầu tiên, xin nói về tên gọi của cỗ máy: Large Hadron Collider (LHC), có thể hiểu là "Cỗ máy tạo va chạm hạt Hadron& quot;. Hạt Hadron. vận tốc cực lớn để chúng đâm vào nhau. Với cỗ máy LHC, các hạt được cho di chuyển trên một quỹ đạo tròn cực lớn để tạo gia tốc, và sau cùng bắn vào một chùm hạt khác. Một góc của Large HadronCollider Sau. với vận tốccủa hạt. Điện trường xoaychiều sinh ra trong lòng máy có tác dụng tăng tốc cho hạt trong quátrình chuyển động: Vận tốc hạt ngày càngtăng cùngvới bán kínhquĩ đạo. Khi động năng củahạt tănglên