Niềm tự hào của khoa học châu Âu

Ngày nay, tổ chức nghiên cứu có trụ sở tại biên giới Pháp – Thụy Sĩ này được mở rộng bao gồm 21 thành viên. Trong bối cảnh tri thức của con người về vật chất đã không còn chỉ dừng lại ở hạt nhân, lĩnh vực nghiên cứu mà CERN chú trọng hiện nay là vật lý hạt, tìm hiểu về những thành tố cơ bản nhất cấu thành nên vật chất cũng như các lực tương tác giữa chúng. Vì vậy, phòng thí nghiệm của CERN cũng thường được gọi là Phòng thí nghiệm châu Âu về Vật lý Hạt.

Từ thập kỷ 1970, các nhà vật lý hạt đã tìm ra Mô hình Chuẩn, một hệ thống các phương trình tuyệt đẹp giúp mô tả cấu trúc vật chất với những thành tố căn bản gọi là hạt cơ bản, được vận hành bởi bốn loại lực. Để kiểm chứng các dự đoán và giới hạn của Mô hình Chuẩn, các nhà khoa học tại CERN đã xây dựng và sử dụng những cỗ máy gia tốc và cảm biến mạnh nhất trên thế giới. Công việc của họ qua nhiều năm tháng đã giúp lý giải nhiều kết quả thí nghiệm và dự đoán chính xác nhiều hiện tượng.

Những thành tựu khoa học nổi bật của CERN 1973: Tìm ra các dòng trung hòa trong cảm biến Gargamelle bubble chamber; 1983: Tìm ra các W và Z boson qua các thí nghiệm UA1 và UA2; 1989: Xác định số lượng các nhóm neutron nhẹ trong Large Electron–Positron Collider (LEP) vận hành tại đỉnh Z boson; 1995: Tạo ra các nguyên tử phản hydro đầu tiên qua thí nghiệm PS210; 1999: Phát hiện ra sai lệch CP trực tiếp qua thí nghiệm NA; 2010: Cô lập được 38 nguyên tử phản hydro; 2011: Duy trì được phản hydro trong 15’ 2012: Tìm ra một boson có khối lượng khoảng 125 GeV/c2 tương đồng với Higgs boson được con người tìm kiếm lâu nay. Năm 1984, giải Nobel vật lý được trao cho Carlo Rubbia và Simon van der Meer nhờ những nghiên cứu dẫn tới việc tìm ra các boson W và Z. Năm 1992, giải Nobel Vật lý được trao cho Georges Charpak, với công lao phát kiến và phát triển thiết bị cảm biến hạt.

Tuy nhiên, Mô hình Chuẩn chỉ mới mô tả được 4% của vũ trụ mà chúng ta đã biết, trong khi vẫn còn những câu hỏi quan trọng đang để ngỏ, như liệu LHC có thể giúp thống nhất bốn loại lực ở mức năng lượng cao? Vì sao trọng lực lại yếu như vậy? Vì sao có nhiều vật chất hơn phản vật chất trong vũ trụ? Liệu có những hiện tượng vật lý kỳ ảo đang chờ được phát hiện ở mức năng lượng cao? Liệu chúng ta có tìm ra bằng chứng của thuyết siêu cân đối nhờ vào LHC? Ngay cả Higgs boson mà người ta mới tìm ra vẫn còn là một bí ẩn.

Đó là những câu hỏi mà các nhà khoa học tại CERN đang tìm kiếm lời giải đáp. Vì thế, phạm vi nghiên cứu của họ không chỉ là vật lý hạt mà rộng hơn rất nhiều, bao gồm từ vật lý hạt nhân tới vật lý năng lượng cao, từ nghiên cứu phản vật chất tới nghiên cứu về khả năng xảy ra tia vũ trụ trong những đám mây.

Những cỗ máy gia tốc ở CERN

Để tìm hiểu về các hạt cơ bản hay cấu trúc vật chất cơ bản của vũ trụ, các nhà khoa học ở CERN sử dụng những thiết bị có quy mô to lớn và phức tạp nhất trên thế giới, khiến các hạt va đập vào nhau, qua đó giúp họ hình dung rõ hơn về sự tương tác giữa các hạt cũng như các định luật cơ bản của tự nhiên.

Các tổ hợp máy gia tốc ở CERN là một chuỗi các cỗ máy làm tăng mức năng lượng của các hạt. Mỗi máy có chức năng làm tăng năng lượng của một tia các hạt, trước khi bắn tia đó vào các cỗ máy tiếp theo một cách lần lượt. Nguồn proton của các tia hạt là một ống khí hydro đơn giản. Các nhà khoa học dùng một điện trường để tách electron khỏi nguyên tử để tạo ra proton. Sau đó, Linac 2, cỗ máy đầu tiên trong chuỗi các máy gia tốc, sẽ tăng tốc mức năng lượng của proton lên 50 MeV. Tia hạt sau đó được bắn vào máy Proton Synchrotron Booster (PSB) có nhiệm vụ tăng mức năng lượng lên 1,4 GeV, trước khi được cỗ máy Proton Synchrotron đẩy lên mức 25 GeV, rồi được máy Super Proton Synchrotron tăng lên mức 450 GeV. Trong cỗ máy gia tốc LHC (Large Hadron Collider) – là cỗ máy cuối cùng trong chuỗi các máy gia tốc – các tia hạt được tăng tốc lên mức năng lượng kỷ lục là 4 TeV/tia. Đa số các máy gia tốc khác trên thế giới chỉ đạt được mức năng lượng thấp hơn rất nhiều.

Kết quả khoa học tiêu biểu nhất của CERN gần đây là việc tìm ra loại hạt khớp với lý thuyết về Higgs boson. Ngày 4/7/2012, các nhà khoa học trong thí nghiệm ATLAS và CMS thực hiện với cỗ máy LHC tại CERN tuyên bố cả hai nhóm đều tìm ra một hạt mới có khối lượng khoảng 126 GeV, khớp với mô tả về Higgs boson của Mô hình Chuẩn. Tháng 3/2013, hạt này tiếp tục được chứng minh có một số đặc tính khác giống với dự đoán của Mô hình Chuẩn. Mặc dù nhân loại sẽ phải tiếp tục nghiên cứu để chứng minh đây thực sự là Higgs boson mà Mô hình Chuẩn đã dự đoán, nhưng các kết quả thí nghiệm trên đây đã dẫn tới việc giải Nobel Vật lý năm 2013 được trao cho François Englert và Peter Higgs do cống hiến của họ mang lại một “khám phá lý thuyết về một cơ chế vật lý đóng góp vào sự hiểu biết của con người về nguồn gốc của khối lượng ở những hạt dưới quy mô nguyên tử.”

Trong cỗ máy LHC, một tia hạt được bắn đi trong một ống dẫn theo chiều kim đồng hồ, trong khi một tia khác được bắn trong một ống dẫn khác theo chiều ngược lại. Mỗi ống dẫn cần 4 phút 20 giây để lấp đầy, và cần 20 phút để các proton đạt mức năng lượng tối đa 4 TeV. Các tia này chạy vòng quanh trong cỗ máy LHC trong nhiều giờ dưới điều kiện vận hành bình thường, sau đó được cho va đập vào nhau tại bốn cảm biến có tên gọi ALICE, ATLAS, CMS, và LHCb- nơi tổng năng lượng tại điểm va đập là 8 TeV.

Ngoài các cỗ máy gia tốc nói trên, tổ hợp thiết bị tại CERN còn bao gồm các hệ thống khác như Antiproton Decelerator giúp cung cấp các phản proton năng lượng thấp để nghiên cứu phản vật chất; Online Isotope Mass Separator (ISOLDE) giúp nghiên cứu hạt nhân nguyên tử và các ứng dụng trong nghiên cứu cơ bản thuộc các lĩnh vực vật lý thiên văn, vật liệu, khoa học sự sống; Compact Linear Collider giúp nghiên cứu về các thí nghiệm va đập giữa electron và phản electron; neutron time-of-flight facility (nTOF) nghiên cứu các tương tác giữa neutron và hạt nhân với năng lượng neutron từ vài meV tới vài GeV, v.v.

Vai trò của công nghệ thông tin ở CERN

Cứ mỗi giây, các hạt trong cỗ máy LHC va đập vào nhau khoảng 600 triệu lần. Mỗi va đập tạo ra những hạt mới, mỗi hạt thường tự tiêu hủy theo các phương thức phức tạp để trở thành nhiều hạt khác. Các mạch điện giúp lưu trữ lại thông tin về sự di chuyển của mỗi hạt thông qua một cảm biến, dựa trên một chuỗi các tín hiệu điện, rồi chuyển dữ liệu về Trung tâm Dữ liệu CERN để được số hóa thành những “sự kiện va đập”. Hằng năm, các nhà vật lý phải kiểm tra khoảng 30 petabyte dữ liệu để tìm kiếm những hiện tượng vật lý mà họ quan tâm.

CERN không có đủ năng lực tính toán và nguồn lực tài chính để xử lý tất cả dữ liệu này ngay tại chỗ, vì vậy năm 2002 họ áp dụng điện toán lưới (computing grid) để chia sẻ gánh nặng với các trung tâm tính toán trên khắp thế giới. Mạng lưới Worldwide LHC Computing Grid cho phép một cộng đồng khoảng 8.000 nhà vật lý được truy cập dữ liệu LHC. Lưới điện toán này được dựa trên nền tảng công nghệ internet (World Wide Web), cũng được phát minh tại CERN vào năm 1989.

Mỗi ngày, Trung tâm Dữ liệu của CERN xử lý khoảng 1 petabyte, tương đương với khoảng 210 nghìn đĩa DVD. Trung tâm chứa 11 nghìn server với 100 nghìn lõi xử lý. Mỗi giây khoảng 6.000 thay đổi trong hệ dữ liệu được xử lý. Mỗi ngày, Lưới Điện toán thực hiện hơn 2 triệu lệnh. Vào cao điểm, mỗi giây có khoảng 10 gigabyte được vận chuyển giữa các server.

Tổ hợp server của CERN nằm trong một căn phòng rộng 1.450 m2 tại Trung tâm Dữ liệu, là điểm tương tác giao cắt đầu tiên giữa những dữ liệu thí nghiệm từ LHC và Lưới Điện toán. Ngoài ra, những server quan trọng được đặt trong các căn phòng đặc biệt riêng, được vận hành và làm mát bởi các thiết bị chuyên biệt. Năm 2011, CERN lắp đặt cải tiến hệ thống tiết kiệm năng lượng, giúp tiết kiệm 4,5 GWh mỗi năm.

Đầu năm 2013, CERN tăng quy mô năng lượng của trung tâm từ 2,9 MW lên 3,5 MW, cho phép lắt đặt thêm nhiều máy tính. Bên cạnh đó, để đáp ứng yêu cầu ngày càng tăng từ LHC, Trung tâm Nghiên cứu Vật lý Wigner được vận hành tại Budapest, Hungary, như một bộ phận nối dài của Trung tâm Dữ liệu nhằm tăng năng lực của Lưới Điện toán, và cho phép mọi hoạt động vận hành bình thường ngay cả khi trụ sở chính của CERN ở Meyrin, Thụy Sĩ gặp trục trặc. Trung tâm Dữ liệu tại Meyrin cho phép lưu trữ khoảng 45 petabyte và chiếm đa số trong 100 nghìn lõi xử lý của CERN, trong khi trung tâm Wigner tại Budapest có 20 nghìn lõi xử lý và lưu trữ được 5,5 petabyte dữ liệu (người ta kỳ vọng năng lực của Wigner sẽ gấp đôi trong vòng ba năm).

Một đội ngũ kỹ sư tuyệt vời

Sự ra đời của Internet từ CERN Tim Berners-Lee, một nhà khoa học người Anh làm việc tại CERN (ảnh bên), đã phát kiến ra mạng World Wide Web (WWW) vào năm 1989. Mạng này đầu tiên được xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu chia sẻ thông tin tự động giữa các nhà khoa học ở các trường đại học và viện nghiên cứu trên khắp thế giới. Trang web đầu tiên trên thế giới chính là của CERN, phục vụ cho dự án World Wide Web, với máy chủ là chiếc máy tính NeXT của Berners-Lee. Trang web này có những chức năng căn bản của web, cho phép truy cập tài liệu của mọi người, cho phép mỗi người tự thiết lập server của mình. Ngày nay, chiếc máy tính NeXT, máy chủ mạng đầu tiên, vẫn nằm tại CERN. Vào ngày 30/4/1993, CERN đưa phần mềm World Wide Web thành phần mềm công cộng (public domain).

Đội ngũ kỹ sư đóng một vai trò trọng yếu đối với hoạt động của CERN. Họ là tác giả của những thiết bị máy móc tân tiến nhất trên thế giới, công cụ để các nhà nghiên cứu tạo ra những đột phá mới của vật lý thực nghiệm. Điều đó đòi hỏi họ phải vượt qua nhiều thách thức khác nhau, giải quyết các vấn đề công nghệ mới mẻ nhất, từ quy mô khổng lồ tới quy mô rất nhỏ của hạt nhân. Các kỹ sư xây dựng và thử nghiệm các thiết bị, hệ thống làm công cụ nghiên cứu cho các nhà vật lý, trong khi đội ngũ kỹ thuật viên có trách nhiệm duy trì những cỗ máy này chạy ổn định, thực hiện sửa chữa và nâng cấp mỗi khi cần thiết.
Công việc đó thường đòi hỏi chuyên gia từ nhiều ngành khác nhau. Ví dụ việc xây dựng, chế tạo các máy gia tốc đòi hỏi các chuyên gia xây dựng để tiến hành đào hầm và lắp đặt các kết cấu hạ tầng lớn. Các kỹ sư và kỹ thuật viên khác phụ trách lắp đặt các thiết bị vô cùng tinh xảo, tỉ mỉ, như các hốc tần số vô tuyến phải có kích cỡ hình thù tuyệt đối chính xác để thúc đẩy proton bắn trong máy gia tốc; cần hàng nghìn nam châm điện khổng lồ được gia công riêng biệt để dẫn các hạt chạy vòng tròn trong các máy gia tốc; một hệ thống làm lạnh lớn nhất thế giới giúp làm mát các nam châm trong máy gia tốc LHC tới tuyệt đối không độ, cho phép các dây dẫn điện có thể vận hành liên tục trong trạng thái siêu dẫn và không bị mất năng lượng do điện trở.

Các cảm biến cũng đặt ra những thách thức khác, với mỗi thiết bị và hệ thống con đều được thiết kế, chế tạo, thử nghiệm riêng biệt, trước khi được ghép với nhau để vận hành một cách hài hòa. Nhiều km dây dẫn và hàng nghìn thiết bị điện tạo thành các cảm biến, có thể được coi là kỳ công của các kỹ sư của CERN.