Thu nhỏ kích cỡ máy gia tốc

Những cỗ máy gia tốc phục vụ các thí nghiệm vật lý lượng tử thường đòi hỏi nhiều không gian như: máy gia tốc hạt lớn LHC (Large Hadron Collider) có đường kính hơn 8km, đủ để khoanh tròn vài thị trấn. Máy gia tốc tuyến tính của Đại học Stanford cũng dài tới hơn 3 km. Tuy nhiên trong tương lai, người ta kỳ vọng có thể thu nhỏ máy gia tốc xuống kích cỡ một chiếc bàn mà không hề làm mất đi khả năng gia tốc mạnh mẽ của chúng.

Thí nghiệm của máy gia tốc LHC có kích thước rất lớn

Mới đây các nhà khoa học tại CERN đã tiến hành những thử nghiệm đầu tiên trong thí nghiệm AWAKE (hay còn gọi là thí nghiệm Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment – Thí nghiệm Máy gia tốc Sử dụng Trường Plasma để điều khiển Proton) theo một phương pháp hoàn toàn mới khiến các hạt di chuyển nhanh hơn rất nhiều trong một quãng thời gian ngắn hơn, qua đó trên lý thuyết có thể giảm kích thước của những thí nghiệm vật lý hạt xuống hàng trăm lần, hoặc thậm chí nhiều hơn. Thí nghiệm này được thực hiện trên máy gia tốc Wakefield (máy gia tốc hoạt động dựa vào điện trường tạo ra bởi sóng radio) và đã từng được lên kế hoạch tiến hành vào năm 1970 nhưng do gặp quá nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật nên không thể triển khai.

Phương pháp hoạt động của loại máy này như sau: đầu tiên, một bó proton từ máy gia tốc proton Super Proton Synchrotron của CERN sẽ đi qua trường plasma. Chùm electron trong plasma được tích điện âm, phóng về phía các hạt proton mang điện dương. Tại thời điểm này, mặc dù chùm proton đã phóng về phía trước, nhưng chùm electron vẫn tiếp tục chuyển động. Khi bị mất electron, trường plasma tích điện dương tạo lực kéo chùm hạt quay lại. Quá trình diễn ra tạo thành một sóng. Nếu ta đưa một chùm hạt electron khác rơi vào trong sóng, chùm cũ sẽ lướt theo chiều dọc để tránh các chùm electron âm rơi vào, khiến chùm hạt được gia tốc nhanh chóng trong Wakefield, nhanh hơn so với phương pháp truyền thống một ngàn lần.

“Điều này cho phép thu nhỏ các máy gia tốc rất nhiều,” Edda Gshwendtner, lãnh đạo dự án cho biết.

Ngày nay, các nhà vật lý chỉ sử dụng chùm proton như chùm tia chính trong phương pháp tiến hành thí nghiệm và vẫn chưa hề có plasma hay gia tốc electron – điều này có lẽ sẽ không xảy ra cho đến năm 2018 – và AWAKE mới là sự kiểm chứng về khái niệm, một nỗ lực ban đầu để chế tạo loại máy gia tốc Wakefield. Tuy nhiên, đó là bước tiến quan trọng đầu tiên mở ra những triển vọng mới.

Theo một thông cáo báo chí của CERN, một ngày nào đó, chúng ta thậm chí sẽ trông thấy những máy gia tốc hạt năng lượng cao có kích cỡ bằng chiếc bàn, nhưng có thể chúng sẽ không sử dụng proton để tạo sóng, bởi các máy gia tốc dựa trên proton thường dùng cho các thí nghiệm lớn.

Vì mới chỉ có những kết quả ban đầu, nên chúng ta sẽ chưa thể có những loại máy gia tốc này cho các thí nghiệm vật lý hạt trong vài thập kỷ tới, Gschwendtner cho biết. Nhưng ý tưởng về thí nghiệm vật lý hạt có kích cỡ như chiếc bàn sẽ luôn thu hút sự chú ý của chúng ta.

Phương Thảo dịch theo Popsci