Tìm kiếm Blog này

Đang tải...

Ngày 02 tháng 11 năm 2010

Hỏi đáp cơ bản về máy gia tốc hạt Large Hadron Collider

Gần đây hẳn không ít độc giả cũng đã nghe qua các cụm từ như "máy gia tốc hạt", "máy bắn phá hạt", v.v… trên các phương tiện thông tin đại chúng (hay thậm chí trong Angels & Demons của Dan Brown ). Và hẳn kèm theo không thể thiếu các dự đoán về việc tái tạo vụ nổ Big Bang, vụ nổ kiến tạo vũ trụ, hay ngược lại là dự đoán về sự xuất hiện lỗ đen do chiếc máy này tạo ra. Vậy chính xác chiếc máy này là gì, và thực hư chuyện tạo ra vụ nổ Big Bang hay lỗ đen như thế nào, xin mời bạn đọc bài viết sau đây.

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 Hadron Collider

Sau khi có một chút khái niệm về chiếc máy, ta hãy cùng làm rõ vấn đề bằng cách trả lời một số câu hỏi sau đây:

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 va chạm với nhau và rút ra kết luận vật chất được tạo ra từ đâu, và chúng kết 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 vật lý cho rằng các quy luật vật lý đã phát triển cùng với việc nguội đi của vũ trụ từ hàng tỉ hay hàng nghìn tỉ (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" một thời được cho là một qua thời gian trở thành những hiện tượng có thể được phân biệt rõ ràng, như proton, electron với lực hấp dẫn, lực ly tâm... cũng như ngày xưa tiếng Tây Ban Nha, Pháp và Ý đều bắt nguồn từ tiếng Latin cổ, nhưng ngày nay lại muôn hình vạn trạng. Nói tóm lại, các nhà khoa học cho rằng "hạt" hay "lực" cũng đi từ một thứ mà ra, ngay từ đầu tiên nhất đó là vụ nổ Big Bang.

Bằng việc tạo va chạm giữa các hạt cơ bản - hạt proton - các nhà vật lý tạo ra những quả cầu lửa nhỏ, hay là những vụ nổ Big Bang quy mô nhỏ, chứa đựng trong đó các điều kiện của vũ trụ thời kì sơ khai, và từ đó có thể tìm hiểu được chuyện gì đã diễn ra trong thời kì 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?

- Nhà bác học vĩ đại Einstein đã chứng minh cho chúng ta rằng mức năng lượng và khối lượng vật chất là tương đương với nhau(*). Vì vậy, khi càng nhiều năng lượng được dồn nén vào trong một quả cầu lửa nêu trên thì quả cầu này sẽ càng lớn ("lớn" ở đây giống như khi quy sức mạnh của bom nguyên tử về số tấn thuốc nổ TNT). Từ đó dẫn tới việc cỗ máy bắn phá hạt phải đủ lớn và đủ mạnh để thực hiện được va chạm đủ lớn để nén đủ lượng năng lượng vào một hạt proton.

Hơn nữa, các hạt chuyển động với vận tốc càng lớn thì sẽ càng khó hơn để có thể bẻ cong đường đi của chúng để chúng có thể chuyển động thành một vòng tròn và va chạm với nhau. (Cỗ máy LHC được thiết kế để các hạt proton có thể chuyển động tròn dưới tác dụng của một từ trường đều tạo ra nhờ một hệ thống nam châm điện, có hướng vuông góc với vận tốc của hạt. Điện trường xoay chiều sinh ra trong lòng máy có tác dụng tăng tốc cho hạt trong quá trình chuyển động: Vận tốc hạt ngày càng tăng cùng với bán kính quĩ đạo. Khi động năng của hạt tăng lên đến giá trị đủ lớn thì người ta cho chùm hạt bắn phá vào một chùm hạt bay ngược với nó để tạo ra phản ứng hạt nhân.) Mặc dù hệ thống nam châm điện trong cỗ máy LHC thuộc loại nam châm điện mạnh nhất từng được chế tạo, các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể bẻ cong đường đi của các hạt proton với bán kính quĩ đạo ít hơn 2,7 dặm (~4,5 km).

Nói tóm lại, nếu chỉ để trả lời ngắn gọn câu hỏi đã nêu, ta có thể hiểu như sau: Cỗ máy càng lớn thì có bộ gia tốc càng mạnh, bộ gia tốc càng mạnh thì tạo ra gia tốc lớn, từ đó vụ va chạm càng mạnh, và nhờ đó những nhà nghiên cứu sẽ có thể dễ dàng tìm hiểu được bản 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 chúng ta từ đâu mà ra, được tạo ra từ những gì, và nhiều hơn thế nữa...

Trên lý thuyết, chúng ta hiện vẫn chưa thể tìm hiểu được hết tất cả các hạt cấu thành nên hạt cơ bản, ví dụ như các hạt gluino, photino, squark và wino. Lý do của việc này đơn giản là vì chúng ta chưa thể có đủ nguồn năng lượng để tạo ra một vụ va chạm hạt đủ mạnh.

Nếu bất kỳ một trong những hạt này tồn tại đều có thể 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 hà cũng như các cấu trúc vũ trụ khác.

Thêm vào đó, một mắt xích vô cùng quan trọng chưa được tìm ra nhưng biết rằng có tồn tại (qua các nghiên cứu) trong các quy luật vật lý của chúng ta là sự hiện diện của một loại hạt được gọi là Higgs boson (bozon), theo tên nhà vật lý Peter Higgs của Đại học Edinburgh. Theo các cơ sở khoa học đã biết, Higgs boson đóng vai trò tạo ra thứ mà chúng ta gọi là "khối lượng" của mọi vật chất, lí giải tại sao vật nặng lại khó di chuyển hơn vật nhẹ, v.v... Hạt này làm được điều đó bằng cách đóng vai trò một "chất kết dính" các hạt tạo nên vật chất khi chúng chuyển 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 Large Hadron Collider, năng lượng cần có hiện là 3500 tỉ (3.500.000.000.000) electron volt (eV) mỗi proton - nếu so ra chỉ bằng năng lượng một con bọ cần để di chuyển qua lại. Con số này nghe có vẻ nhỏ bé, nhưng ta phải chú ý đến từ mỗi proton: đối với một proton đường kính chỉ 10^-10m (có tài liệu ghi là 10^-15m), lượng năng lượng trên là cực lớn.
Electron volt (eV) là gì?

- Một electron volt (1eV) là lượng năng lượng một electron thu được khi di chuyển từ cực âm tới cực dương một viên pin 1 volt. Đây là một đơn vị năng lượng thường được dùng bởi các nhà vật lý.
Khi các hạt va chạm với nhau liệu sẽ có vụ nổ lớn?
- Khi các hạt va chạm, hầu như không có âm thanh gì cả. Nếu bạn tưởng tượng sẽ như một vụ nổ bom thì hoàn toàn không phải như thế. Các vụ nổ Big Bang "mini" mà chúng ta thấy chỉ tồn tại trong thời gian cực ngắn (có thể còn nhỏ hơnmột phần trăm giây)
Nhưng trong các thử nghiệm trước đây đã có một vụ nổ thực sự?
- Trong cuộc thử nghiệm máy bắn phá vào tháng 9 năm 2008, đường nối điện giữa một cặp nam châm khổng lồ 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 cho vận hành với một nửa sức mạnh trong hai năm 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 các vụ va chạm giữa các hạt có thể tạo ra lỗ đen, hay nếu có, các lỗ đen cũng chưa hề gây ra thiệt hại. Ngay cả theo các lý thuyết rộng nhất về lỗ đen, cỗ máy Large Hadron Collider vẫn không đủ mạnh để 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 chức nghiên cứu nguyên tử Châu Âu - Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) ở dưới lòng đất biên giới Pháp - Thụy Sĩ
- Khi bắn vào nhau sẽ không hề có tiếng động hay dấu tích gì
- Nguy cơ gây ra lỗ đen hầu như không có, nhưng nếu có thì quy mô lỗ đen không đáng ngại
- Máy bắn phá hạt sẽ có lợi rất nhiều hơn cho nghiên cứu khoa học: tìm ra sự ra đời và quy luật của vật chất
- Và quan trọng nhất là đôi nét tiêu biểu về nguyên tắc hoạt động:
+ Tăng tốc các hạt proton bằng cách cho 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 27km nhờ vào lực điện từ
+ Các hạt sẽ được cho va chạm với một chùm hạt khác bay theo hướng ngược lại.
+ Các hạt va chạm với nhau, sẽ tạo ra các quả cầu lửa nhỏ mà chúng ta có thể xem là các vụ nổ Big Bang ở quy mô nhỏ
+ Từ các cơ sở đó, các nhà vật lý hạt và nhà nghiên cứu khoa học sẽ có thể khám phá ra những điều mà họ tìm kiếm lâu nay
Biên tập từ The New York Times



Bên lề:

Xin gửi tới các bạn thêm một video rất hay và dễ hiểu về LHC (có phụ đề 25 thứ tiếng thông dụng, trong đó có tiếng Anh, Pháp, Hoa, v.v..., tuy nhiên chưa có tiếng Việt)
Đây là bài thuyết trình của Brian Cox, một tiến sĩ vật lý làm việc chính tại CERN.

Bản gốc có phụ đề: http://www.ted.com/index.php/talks/b...rcollider.html

Video từ Youtube (không có phụ đề)




Một mẩu chuyện về LHC được nêu trong bài thuyết trình của tiến sĩ Brian Cox:

Vào những năm 1980, khi CERN xin tài trợ cho LHC từ chính phủ Anh, bà Magaret Thatcher lúc đó nói: "Nếu các anh có thể giải thích bằng thứ ngôn ngữ mà chính trị gia như tôi có thể hiểu được gì thì các anh sẽ có được tiền. Tôi muốn biết thứ gọi là hạt Higgs làm gì?"

Và thú vị rằng, các nhà khoa học lúc đó nảy ra một ý tưởng như thế này: Trong một căn phòng đông người, những người này là hạt Higgs. Khi một hạt nào đó di chuyển trong vũ trụ, nó sẽ tương tác với các hạt Higgs.
Lấy ví dụ như thế này: một người không mấy ai biết đến di chuyển qua phòng này, hẳn mọi người sẽ chẳng thèm đoái hoài; thế là những người này có thể dễ dàng nhanh chóng đi qua phòng (và lúc này tốc độ họ đi sẽ rất nhanh, và nếu trong trường hợp không một ai thèm để ý tới họ, họ sẽ di chuyển với tốc độ ánh sáng, tức họ không hề có khối lượng - massless)
Lấy thêm một ví dụ khác: Một người cực kì quan trọng, giả dụ là bà Magaret Thatcher đi vào phòng, tức thì bà sẽ được bao quanh bởi người trong phòng. Và họ cứ thế vây quanh bà, bà sẽ di chuyển qua đám đông cực kì khó khăn và chậm chạp. Chính như thế, bà sẽ "nặng" hơn.

Hai ví dụ mà các nhà khoa học nghĩ ra đã khái quát hóa được chính xác chức năng của hạt Higgs. Và như thế là LHC được tiền

Không có nhận xét nào:

Đăng nhận xét