Máy gia tốc hạt là gì

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.

Chuyện gì xảy ra nếu bạn chui vào bên trong máy gia tốc hạt? Nghe như "âm mưu" để có được siêu sức mạnh chỉ tồn tại trong thế giới truyện tranh, nhưng nó xảy ra thực, và làm sáng tỏ những bí ẩn về bức xạ, về khả năng chống chịu của con người và về bản chất của chính vật chất vốn tồn tại quanh ta.

Máy gia tốc hạt cho phép các nhà vật lý học nghiên cứu các hạt hạ nguyên tử, bằng cách tăng tốc chúng trong một từ trường cực mạnh và theo dõi sát sao từ lúc hạt bay cho tới khi chúng va chạm. Chúng đang giúp ta mở khóa Vũ trụ.

Hồi 2008, Máy Gia tốc hạt Lớn (LHC), do Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN), bị buộc tội tạo ra hố đen siêu nhỏ, cho phép các nhà khoa học nhìn sang được một chiều không gian khác. Quả thực hai người đâm đơn kiện đã xem quá nhiều phim khoa học viễn tưởng để mà ảo giác ra một hố đen do con người chế tạo. Các nhà khoa học thẳng thừng tuyên bố ý tưởng này quá đỗi … điên rồ, đơn kiện bị bãi bỏ.

Thế rồi đến năm 2012, khi LHC phát hiện ra sự tồn tại của hạt Higgs boson, thứ hạt còn thiếu để giải thích cách một hạt có được khối lượng, cụm từ "máy gia tốc hạt" đã đi vào văn hóa đại chúng. Ban nhạc rock Megadeth, một trong "tứ trụ" của thể loại thrash metal, đã sử dụng hình ảnh máy gia tốc hạt lớn làm bìa album Super Collider phát hành năm 2013. Đến năm 2014, show truyền hình The Flash sử dụng một phiên bản của máy gia tốc hạt làm đạo cụ chính – là thứ trao cho Barry Allen siêu năng lực chạy nhanh.

Cụm từ "máy gia tốc hạt" trở nên nổi tiếng, nhưng ý nghĩa của nó, tác dụng của nó thì ngoài các nhà khoa học ra, ta chẳng hiểu nổi. Trông giống như NASA đưa tàu thăm dò lên hành tinh khác, nghiên cứu của CERN không làm ra được hình ảnh đẹp đẽ của chân trời mới. Thay vào đó, máy gia tốc hạt tạo ra thêm nhiều công thức lằng nhằng để viết lên giấy, những đường ngoằn ngoèo vẽ thành biểu đồ.

Thế cuối cùng thì một tia hạt hạ nguyên tử đi qua da thịt của cơ thể người, chuyện gì sẽ xảy ra? Rõ là "người thường" không thể trả lời được bài toán khó này, phải để các nhà vật lý học bắt tay vào cuộc.

Năm 2010, trong một bài phỏng vấn cán bộ giảng dạy vật lý và thiên văn của Đại học Nottingham, chúng ta nhận được câu trả lời: họ cũng không rõ chuyện gì sẽ xảy ra nếu một người cho tay vào một tia proton đang bay trong máy gia tốc hạt.

Giáo sư Michael Merrfifield nói: "Đây đúng là một câu hỏi hay. Tôi không rõ đáp án là gì. Nhiều khả năng là sẽ có chuyện xấu xảy ra".

Giáo sư Laurence Eaves cân nhắc từng từ khi đưa ra câu trả lời: "Với mức năng lượng chúng tôi đo đạc được, thì sự khác biệt không rõ ràng lắm đau. Còn tôi có dám đưa tay vào máy không á? Tôi không chắc lắm".

Nhưng cứ đưa ra những giả định như vậy, ta mới thấy trí tưởng tượng là một công cụ đắc lực: ta nghĩ ra được những tình huống khó có thể xảy ra, nghiên cứu nó để đưa ra những hệ quả có thể có. Tuy nhiên, cũng có lúc những … tai nạn sẽ cho ta những case study không bao giờ có, những thử nghiệm sẽ không bao giờ xuất hiện do đạo đức không cho phép. Những tai nạn như vậy tương đương với ví dụ mà nhà khoa học thần kinh Ramachandran từng đưa ra, "chỉ cần một con lợn biết nói để chứng tỏ loài lợn có khả năng giao tiếp".

Vào ngày 13 tháng Bảy năm 1978, nhà khoa học Xô-viết Anatoli Bugorski đưa đầu mình vào một máy gia tốc hạt. Trong cái ngày định mệnh ấy, ông Burgorski đang kiểm tra thiết bị hỏng bên trong U-70 – cỗ máy gia tốc hạt lớn nhất Liên bang Xô-viết thời kỳ bấy giờ thì hệ thống an toàn gặp trục trặc, một tia proton bay gần với vận tốc ánh sáng bắn xuyên qua đầu ông Bugorski.

Rất có thể, cho tới thời điểm ông Bugorski gặp tai nạn, chưa một người nào mặt đối mặt với một tia bức xạ có năng lượng khủng khiếp đến thế. Mặc dù việc triệt tiêu tế bào ung thư bằng tia proton đã xuất hiện trước thời điểm diễn ra tai nạn, nhưng những tia proton chữa bệnh không vượt quá 250 triệu electron volt – đơn vị năng lượng cho các hạt vật chất nhỏ.

Ông Anatoli Bugorski hứng chịu một tia proton mạnh gấp 300 lần con số trên, 76 tỷ electron volt.

Phòng điều khiển cỗ máy U-70.

Nhiễm xạ proton hơi hiếm có khó tìm. Proton từ gió mặt Trời và các tia Vũ trụ đều bị khí quyển Trái Đất chặn lại, bức xạ proton hiếm tới mức đến năm 1970, ta mới tận mắt chứng kiến proton phân rã phóng xạ. Những thứ bức xạ thường gặp như photon cực tím hay hạt alpha không thể xuyên phá da người, trừ khi trong người bạn có sẵn nguồn phóng xạ.

Cũng có hẳn case study cho vụ này luôn: đã từng xuất hiện vụ ám sát người khác bằng hạt alpha – thứ tia không xuyên qua nổi một tờ giấy, vụ ám sát thành công là do nạn nhân đã nuốt phải polonium-210 có tính phóng xạ. Còn khi các nhà du hành vũ trụ mặc bộ đồ phi hành gia lên người, gặp các tia vũ trụ và nhiều thứ bức xạ khác có ngoài không gian, họ mô tả về việc mắt nhìn thấy ánh đèn nhấp nháy.

Đó cũng là những gì Bugorski nhìn thấy vào ngày định mệnh năm 1978. Kể lại trong một bài phỏng vấn, Bugorski ngay lập tức nhìn thấy ánh sáng lập lòe khi bị tia proton bắn thẳng vào đầu. Nhà khoa học trẻ tuổi được đưa ngay tới viện trong tình trạng nửa mặt sưng vù. Các bác sĩ đã tính tới trường hợp xấu nhất.

Các hạt bức xạ có tính ion hóa như proton sẽ phá tan cấu trúc cơ thể con người, thông qua việc bẻ gãy liên kết hóa học có trong ADN. Nó có thể triệt tiêu tế bào, ngăn chúng phân bào, có thể gây đột biến. Những tế bào phân chia nhanh, ví dụ như tế bào góc có trong tủy xương sẽ chịu hậu quả nặng nề nhất. Các tế bào máu đều được sản sinh từ tủy xương, nên phóng xạ mà ảnh hưởng tới tủy, máu sẽ nhiễm độc.

Thế nhưng trong tai nạn của Bugorski, mọi thứ lại hơi nhiều biến số. Bức xạ nằm tập trung chỉ trong một tia nhỏ, bắn xuyên qua đầu, chứ không giống bức xạ phát ra trong một vụ nổ bom nguyên tử hay thảm họa hạt nhân. Không phải là không có hậu quả: lượng năng lượng phóng xạ tại nơi tia proton đi qua là cực lớn, phải gấp vài trăm lần mức độ gây tử vong.

Bugorski vẫn sống tới ngày hôm nay. Nửa mặt ông bị liệt, nhiều nguồn tin cho hay ông bị điếc một bên tai. Ông còn thường xuyên phải hứng chịu những cơn tai biến. Dù vậy, Bugorski không bị ung thư. Quan trọng hơn nữa, trí tuệ của Bugorski vẫn còn nguyên vẹn: sau khi bị tia proton bắn xuyên đầu, Bugorski vẫn hoàn thành bằng tiến sĩ.

Máy gia tốc hạt lớn để làm gì?

Máy gia tốc hạt là những thiết bị sử dụng điện từ trường để tạo ra và tăng tốc các chùm hạt tích điện, với kích thước nguyên tử và hạ nguyên tử, như electron, proton và ion, Chúng không chỉ được sử dụng trong nghiên cứu cơ bản để nâng cao hiểu biết về vật chất mà còn trong rất nhiều ứng dụng kinh tế - xã hội liên quan ...

Máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới ở đâu?

Máy gia tốc hạt lớn được chế tạo bởi Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN), nằm bên dưới mặt đất tại biên giới Pháp-Thụy Sĩ giữa núi Jura và dãy Alps gần Genève, Thụy Sĩ.

Máy gia tốc hạt nằm ở đâu?

Máy gia tốc hạt là gì và tầm quan trọng của nó là như thế nào? Nằm sâu dưới lòng đất 100m dưới vùng biên giới Pháp và Thụy sĩ là chiếc máy lớn nhất thế giới, được chế tạo bởi tổ chức nghiên cứu hạt nhân Châu Âu (European Organization for Nuclear Research).