Sau nâng cấp, LHC bắt đầu cuộc chạy đua huyền thoại để tìm thứ vật lý mới

Ba năm sau khi tạm dừng, cỗ máy gia tốc hạt lớn LHC sẽ vận hành, cho va chạm các hạt lại với nhau ở mức năng lượng cực cao.

Các thực nghiệm tại cỗ máy gia tốc hạt lớn có mức năng lượng bậc nhất thế giới đã bắt đầu được tái khởi động tại CERN, Trung tâm hạt nhân châu Âu, sau ba năm nâng cấp cỗ máy của mình. ở lần vận hành thứ ba này, các chùm tia proton của Large Hadron Collider (LHC) sẽ hoạt động ở cường độ và năng lượng cao kỷ lục. Các nhà vật lý muốn sử dụng các va chạm này để hiểu về vũ trụ ở quy mô nhỏ nhất, và để giải quyết các bí ẩn như bản chất của vật chất tối.
Tại lúc 4h47 chiều giờ địa phương ngày 5/7/2022, các nhà vật lý tại LHC đã khởi động các máy dò và bắt đầu đón nhận dữ liệu. Cuộc vận hành này kế tiếp hai cuộc trước, lần lượt vào năm 2009-2013 và 2015-2018. “Đây là lần đầu tiên trong thời đại mà sau đại dịch, chúng ta mở một cánh cửa vào vũ trụ để xem cái gì cấu tạo nên nó”, Tara Shears, một nhà vật lý hạt tại trường đại học Liverpool, Anh và là thành viên của nhóm hợp tác LHCb  – chuyên nghiên cứu về hành xử của một dạng hạt cơ bản gọi là quark đẹp.
Nhiều chùm proton được nén chặt hơn sẽ cho phép LHC duy trì tốc độ đỉnh cao của các cuộc sáp nhập trong thời gian dài hơn để thu thập được nhiều dữ liệu hơn những lần trước. Một va chạm đạt mức năng lượng 13,6 nghìn tỉ electron volts (TeV), cao hơn so với mức 13 TeV ở lần chạy trước, gia tăng xác suất của việc tạo ra những hạt nặng hơn mà khoa học còn chưa biết. “Với dữ liệu từ những cuộc va chạm năng lượng cao và một lượng dữ liệu lớn hơn chúng toi có thể tìm kiếm được nhiều hơn. Đó là một kích thích thực sự khủng khiếp”, Shears nói.
Các nhà vật lý sẽ sử dụng lượng dữ liệu cực lớn này để có thể nghiên cứu nhiều hơn về Higgs boson, hạt từng được khám phá tại CERN 10 năm trước đây và về vô số những câu hỏi đang tồn tại. Họ sẽ áp dụng những kỹ thuật phân tích mới để tìm kiếm vật lý mới ngoài mô hình chuẩn, vốn dùng để miêu tả những hạt đã biệt và các tương tác của chúng. Và họ sẽ khám phá một chuỗi danh sách những kết quả dị thường mà mô hình này không giải thích được.
Những thiếu nhất quán này, bao gồm “sự thiên vị” các hạt quark đáy phân rã thành các electron hơn là những hạt “bà con” nặng hơn của nó là các muon, khi mô hình chuẩn dự đoán số lượng tương đương của cả hai dạng hạt. Nếu những bất thường này được xác thực, chúng có thể giúp các nhà vật lý giải thích các đặc điểm bí ẩn về vũ trụ mà mô hình chuẩn không thể có – như tại sao vật chất có ở khắp mọi nơi nhưng lại hiếm thấy phản vật chất. Nhưng nếu những dị thường này xuất hiện qua những dao động tình cờ thì việc có nhiều dữ liệu hơn cũng có thể giúp các nhà nghiên cứu nhìn thấy những gợi ý đó.
Trở lại với chùm tia
Các chùm tia đã sẵn sàng ở LHC kể từ tháng 4/2022, và một số cuộc va chạm đã được bắt đầu nhưng chỉ ngày 5/7 thì chùm tia này mới đủ an toàn cho các thí nghiệm được thực hiện. Trong số chúng có ATLAS và CMS, những thực nghiệm chính ở LHC được thiết kế để nghiên cứu trên một phạm vi rộng của vật lý.
Chùm hạt này có năng lượng đủ để phá hủy các máy dò và các thiết bị khác, vì vậy các kỹ sư sẽ bắt đầu rất cẩn trọng, chỉ phát ra chùm tia với số lượng tối thiểu proton. Con số này sau đó sẽ được gia tăng, Mike Lamont, giám đốc máy gia tốc và công nghệ tại CERN, nói. Cuối cùng, năng lượng của chùm tia đóng gói những hạt nhỏ bé đó sẽ trở thành “chuyến tàu chở hàng” đạt tốc độ 150 km mỗi giờ, “vì vậy chúng tôi phải rất cẩn trọng về điều này”, ông nói.
Trong suốt thời gian tạm dừng hoạt động, ngoài ra còn bị ảnh hưởng bởi COVID-19, nhóm nghiên cứu của CERN đã nâng cấp hệ phức hợp gia tốc này, vốn để tạo ra và gia tốc chùm hạt. Nó còn bao gồm cả việc lắp đặt một nguồn proton mới để thay thế công nghệ đã được sử dụng tại CERN từ năm 1978.
Các nhà vật lý cũng nâng cấp các máy dò cho thực nghiệm ở LHC, cụ thể cải tiến hệ điện tử và tính toán để có thể phù hợp với cường độ va chạm lớn hơn. Tại thực nghiệm CMS và ATLAS, LHC sẽ cho va chạm hàng trăm tỉ hạt proton với tốc độ 40 triệu va chạm mỗi giây. Mỗi lần như vậy sẽ tạo ra khoảng 60 proton–proton va chạm – mỗi thứ sẽ tạo ra hàng trăm hạt.
Hai thực nghiệm lớn này đã được nâng cấp: LHCb và ALICE, vốn nghiên cứu về một dạng hình thức đậm đặc của vật chất là quark-gluon plasma. Trên thực tế thì CMS và ATLAS có thể tăng gấp đôi tốc độ tạo ra dữ liệu của chúng, tốc độ của LHCb sẽ cao gấp 10 lần và ALICE sẽ nhằm mục tiêu ghi nhận mục tiêu ghi nhận hơn gấp 50 lần so số lượng các cuộc va chạm trước đây.
Cỗ máy có độ sáng cao
Chùm tia, vốn có trong mọi loại máy dò, bắt đầu khởi động ở một cường độ thấp, vì vậy sẽ mất hàng tháng trước khi thu được đủ dữ liệu cho phân tích, Shears nói. Các nhà vật lý sẽ cần để hiệu chỉnh lại thực nghiệm trên chùm tia mới và kiểm tra những chiếc máy dò đã được nâng cấp để chúng có thể hoạt động như kỳ vọng, trước khi tạo ra những phát hiện mới. “Anh không thể thấy những kết quả mới đến chỉ trong một ngày,” chị cho biết.
LHC sẽ vận hành trong vòng bốn năm cho đến khi dừng các cuộc va chạm để cho các cuộc nâng cấp tiếp theo, chuẩn bị cho một thiết bị có cường độ cao hơn. Thiết bị này sẽ được đặt tên là High-Luminosity LHC, sẽ bắt đầu được vận hành vào năm 2029 và cuối cùng sẽ tạo ra dữ liệu nhiều gấp 10 lần dữ liệu của ba lần vận hành của LHC cộng lại.
Dẫn dắt cuộc khởi động này, tổng giám đốc CERN Fabiola Gianotti cho biết giấc mơ của bà với lần chạy thứ ba của LHC là phát hiện ra các hạt cấu tạo nên vật chất tối – thành phần còn bí ẩn mà các nhà vật lý nghĩ rằng chiếm tới 85% vật chất trong vũ trụ. Nhưng các mục tiêu của thực nghiệm này không chỉ theo đuổi bất kỳ lý thuyết cụ thể nào mà để “hiểu cách tự nhiên hoạt động ở cấp độ cơ bản nhất”, bà nói.
Thanh Phương tổng hợp
Tìm địa điểm Trường
Gọi trực tiếp
Chat Facebook
Chat Zalo

[flipbook id="1"]