Một bước tiến gần hơn tới máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới
Các nhà khoa học đã thực hiện được một công nghệ then chốt để có thể tạo ra những cỗ máy gia tốc hạt năng lượng cao thế hệ mới.
Các máy gia tốc hạt thường được dùng để nghiên cứu các cấu trúc của vật chất trong các vành va chạm như LHC, và để đo đạc các cấu trúc hóa học của thuốc, điều trị các bệnh ung thư và tạo ra các vi chip silicon.
Từ trước đến nay, các hạt được gia tốc là các proton, electron và ion, trong những chùm tia được hội tụ. Dẫu vậy, một nhóm nghiên cứu quốc tế mang tên Thí nghiệm làm lạnh ion hóa muon (Muon Ionization Cooling Experiment MICE), trong đó có các nhà nghiên cứu Imperial College London, đang cố gắng tạo ra một chùm tia muon.
Các muon là những hạt như các electron nhưng có khối lượng lớn hơn. Điêu đó có nghĩa là chúng có thể được sử dụng để tạo ra các chùm tia với mức năng lượng lớn gấp 10 lần so với chùm tia trên LHC.
Các muon có thể được dùng để nghiên cứu về các cấu trúc nguyên tử của vật liệu, như một xúc tác cho nhiệt hạch hạt nhân và để nhìn xuyên qua các vật chất đậm đặc mà tia X cũng không thể thâm nhập.
Thành công ở một bước tiến quan trọng
MICE mới loan báo thành công trong một bước đi quan trọng trong việc tạo ra một chùm muon – tập hợp và giữ các hạt muon vào trong một khối lượng đủ nhỏ khiến các va chạm có thể diễn ra nhiều hơn. Kết quả này được xuất bản trên Nature.
Thí nghiệm đã được thực hiện với dòng tia muon MICE tại cơ sở ISIS Neutron&Muon Beam (STFC ) tại Harwell Campus ở Anh.
Giáo sư Ken Long, từ Khoa vật lý tại Imperial College London, là phát ngôn viên của thực nghiệm. Ông nói: “Công việc đầy khó khăn nhưng cũng vô cùng hứng thú, tận tụy của nhóm hợp tác quốc tế cũng như sự hỗ trợ của phòng thí nghiệm tại STFC và những viện nghiên cứu từ khắp nơi trên thế giới đã tạo ra đột phá có thể làm thay đổi cuộc chơi này”.
Các hạt muon được tạo ra từ việc gia tốc một chùm tia proton hướng vào một bia. Sau đó, các hạt muon đó có thể bị phân tách khỏi mảnh vụn tại bia và hướng thẳng đến một loạt các thấu kính từ. Các muon được tập hợp đã hình thành một đám mây khuếch tán, vì vậy khi va chạm, các khả năng chúng va chạm lẫn nhau và tạo ra những hiện tượng vật lý vô cùng thú vị là thực sự thấp.
Để khiến cho đám mây đó ít khuếch tán hơn, một quá trình gọi là làm lạnh chùm thia được sử dụng. Nó bao gồm việc đưa các hạt muon gần nhau hơn và chuyển động theo cùng hướng. Tuy nhiên, cho đến lúc đó, các thấu kính từ trường chỉ có thể đưa các hạt muon lại gần nhau hơn hoặc đưa chúng chuyển động theo cùng hướng mà không tạo ra cả hai trạng thái cùng lúc.
Làm lạnh các hạt muon
Nhóm hợp tác MICE đã kiểm tra một phương pháp mới hoàn toàn để có thể thực hiện được thách thức khác thường này, làm lạnh các hạt muon bằng việc đặt chúng vào những vật liệu hấp thụ năng lượng được thiết kế một cách đặc biệt. Nó được thực hiện trong khi chùm tia được hội tụ bằng những thấu kính từ siêu dẫn vô cùng chính xác.
Sau khi làm lạnh chùm tia vào một đám mây đậm đặc, các hạt muon có thể được gia tốc bằng một máy gia tốc hạt thông thường theo một hướng chính xác, khiến cho nó có nhiều hạt muon để va chạm. Như một sự lựa chọn, các hạt muon lạnh có thể chuyển động chậm hơn vì vậy các nhà nghiên cứu có thể nghiên cứu được những thứ phân rã của chúng.
TS. Chris Rogers, người làm việc tại ISIS (STFC) và nhà điều phối vật lý của nhóm hợp tác, giải thích: “MICE đã làm rõ một cách làm hoàn toàn mới của việc nén một chùm hạt vào một khối lượng nhỏ hơn. Kỹ thuật này là thiết yếu để tạo ra một vành va chạm muon thành công, có thể vượt trội cả LHC”.
“Demonstration of cooling by the Muon Ionization Cooling Experiment” của nhóm MICA đã được xuất bản trên Nature.
Tô Vân dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2020-02-world-powerful-particle-big-closer.html
