Máy gia tốc hạt lớn được 'hồi sinh' để khám phá các kiến thức vật lý mới

Máy gia tốc hạt lớn (Large Hadron Collider - LHC) là máy gia tốc hạt dài và mạnh nhất thế giới. Nó sẽ bắn hai chùm proton - các hạt trong hạt nhân của nguyên tử - theo các hướng ngược nhau, với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, xung quanh một đường ống hình tròn dài 27 km bị chôn vùi ở độ 100 m bên dưới biên giới Pháp - Thụy Sĩ.

Trong hai kỳ hoạt động đầu tiên (2009-2013 và 2015-2018), LHC đã khám phá thế giới vật lý đã biết, bao gồm việc phát hiện ra hạt Higgs vào năm 2012. Khám phá này đã khẳng định lý thuyết của các nhà vật lý về các hạt và lực tạo nên vũ trụ: Mô hình chuẩn. Nhưng sau hàng triệu tỷ vụ va chạm giữa các hạt năng lượng cao, LHC vẫn chưa tìm ra bằng chứng về bất kỳ hạt mới nào hay những thứ hoàn toàn chưa được biết đến.

Trong một cuộc họp báo vào tuần trước, Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN) cho biết LHC đang chuẩn bị cho lần chạy thứ ba kéo dài gần 4 năm. Kỳ hoạt động này có thể khác, LHC đã được nâng cấp để tạo ra nhiều dữ liệu hơn, sử dụng máy dò tốt hơn và nhiều kỹ thuật mới.

Máy gia tốc hạt đã trải qua ba năm rưỡi qua để nhận được những nâng cấp quan trọng về công nghệ. Sau khi được nâng cấp, LHC sẽ tạo ra va chạm giữa các proton với mức năng lượng kỷ lục 13,6 nghìn tỷ electron volt (eV) làm tăng cơ hội tạo ra các hạt trong vùng năng lượng cao, nơi một số giả thuyết cho rằng có thể sinh ra các kiến thức vật lý mới. LHC cũng sẽ tạo ra các chùm hạt dày đặc hơn làm tăng xác suất va chạm, tạo ra nhiều dữ liệu hơn, tương đương với lượng dữ liệu của cả hai kỳ hoạt động trước gộp lại.

Tỷ lệ va chạm của các hạt tăng lên, khả năng thu thập dữ liệu được cải thiện hơn bao giờ hết và các thí nghiệm hoàn toàn mới sẽ mở đường cho các nhà khoa học tiến hành nghiên cứu vượt ra ngoài hạt Higgs và thậm chí có thể vượt xa Mô hình chuẩn hiện tại của vật lý hạt.

Kết quả của các vụ va chạm sẽ được ghi lại và phân tích bởi 6 máy dò (detector) đã được xây dựng trong hệ thống của LHC. Hai máy trong số đó là ATLAS và CMS, là những bộ phân tích hạt đa mục đích có kích thước lớn. Hai máy ALICE và LHCb có các chức năng riêng biệt hơn và hai máy còn lại nhỏ hơn nhiều là TOTEM và LHCf dành cho các nghiên cứu chuyên môn đặc biệt.

Vào năm 2020, một thiết bị mới là máy gia tốc tuyến tính (Linac) 4 đã được lắp đặt trong LHC. Thay vì bắn proton vào hệ thống như trước đây, Linac 4 sẽ thúc đẩy các ion hydro tích điện âm, là những proton đi kèm với hai electron. Khi các ion di chuyển qua Linac 4, các điện tử bị tước bỏ chỉ để lại các proton và sự đan xen giữa các ion này cho phép hình thành các chùm proton chặt chẽ hơn. Điều này dẫn đến chùm proton bắn qua máy va chạm hẹp hơn, làm tăng tốc độ va chạm.

Tuy nhiên, có lẽ nâng cấp công nghệ quan trọng nhất là hệ thống kích hoạt các thí nghiệm trong LHC bắt đầu thu thập dữ liệu. Trước đây, việc chọn ra thông tin hữu ích từ tất cả các vụ va chạm đó dựa vào phần cứng và trực giác của các nhà nghiên cứu, dẫn đến chỉ có 10% các vụ va chạm bên trong LHC được ghi lại. Hệ thống kích hoạt mới sử dụng công nghệ máy học để phân tích tình huống nhanh hơn và hiệu quả hơn trong việc thu thập dữ liệu nào để phân tích sau này. Ví dụ nâng cấp này sẽ giúp LHCb tăng gấp 3 lần tốc độ lấy mẫu của nó, trong khi ALICE sẽ tăng số lượng sự kiện được ghi lại lên 50.

Nhờ những cải tiến trong toàn bộ quá trình, kỳ hoạt động này LHC sẽ thu thập được nhiều dữ liệu gấp 4 lần so với kỳ hoạt động thứ hai. Kỳ hoạt động này cũng sẽ mang lại cho các nhà vật lý các phép đo chính xác hơn đối với các hạt như boson Higgs. Chỉ riêng điều này có thể tạo ra kết quả mâu thuẫn với lý thuyết vật lý đã biết. Khi đo lường chính xác hơn, phạm vi sai số có thể sẽ đủ để đẩy kết quả ra ngoài dự đoán của Mô hình chuẩn.

Sau lần chạy thứ ba này, LHC sẽ tạm nghỉ một thời gian trước khi quay trở lại hoạt động vào năm 2029 với tên gọi mới là Máy gia tốc LHC độ sáng cao, tăng số lượng các sự kiện có thể phát hiện được lên con số 10.

Ngoài ra, các nhà khoa học đang lên kế hoạch phát triển một cỗ máy mới có tên là Máy gia tốc Hình tròn tương lai - một đường ống hình tròn dài 100 km với mức năng lượng khổng lồ lên tới 100 nghìn tỷ eV.