21 Máy gia tốc hạt lớn khởi động lại, tìm kiếm các kiến thức vật lý mới mới nhất

Máy gia tốc hạt lớn (Large Hadron Collider – LHC), cỗ máy tạo ra sự va chạm giữa các hạt năng lượng cao để tạo thành và nghiên cứu các hạt nhỏ hơn, sắp hoạt động trở lại sau hơn ba năm ngừng hoạt động.

Trong hai kỳ hoạt động đầu tiên, vào 2009-2013 và 2015-2018, LHC đã khám phá thế giới vật lý đã biết. Tất cả những công việc đó – gồm cả dấu mốc khám phá ra hạt Higgs vào năm 2012 – 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 đáng ngạc nhiên nào, hoặc bất kỳ thứ gì hoàn toàn chưa được biết đến.
Kỳ hoạt động lần 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. Lần này, các nhà khoa học sẽ săn tìm các hạt bên ngoài mô hình chuẩn.
Các thiết bị dò thuộc thử nghiệm ALICE, một trong các thử nghiệm lớn tại LHC, đã được cải tiến trong thời gian hơn 3 năm LHC ngừng hoạt động.
Năng lượng cao hơn và nhiều dữ liệu hơn
Sau khi được nâng cấp, LHC sẽ tạo ra va chạm giữa các proton ở 13,6 nghìn tỷ electron volt (TeV, đơn vị đo động năng) – so với 13 TeV ở kỳ hoạt động thứ hai – 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 – Rende Steerenberg tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu CERN cho biết. 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.
Để xử lý hàng loạt vụ va chạm xảy ra nhanh, các máy dò trong LHC – các lớp cảm biến thu nhận các hạt bắn ra từ các vụ va chạm và đo năng lượng, động lượng và các đặc tính khác của chúng – cũng đã được nâng cấp để tăng hiệu quả và độ chính xác.
Một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu LHC là khả năng lưu trữ dữ liệu. LHC gây va chạm theo chùm proton 40 triệu lần mỗi giây. Và mỗi va chạm giữa hai proton, hay còn gọi là “sự kiện va chạm”, có thể bắn ra hàng trăm hạt nhỏ hơn. Hệ thống ghi nhận phải loại bỏ rất nhiều sự kiện, thực tế là loại bỏ phần lớn dữ liệu. Ví dụ, tại CMS – một trong bốn thí nghiệm chính của LHC – một bộ ghi nhận được tích hợp trong phần cứng phải loại bỏ khoảng 100.000 sự kiện mỗi giây dựa trên cơ sở đánh giá các thuộc tính như năng lượng của các hạt, sau đó phần mềm mới chọn ra khoảng 1.000 sự kiện để tái tạo đầy đủ và đưa vào phân tích.
de0d41586 022 01388 6 20499090
Máy dò trong thử nghiệm CMS, một trong các thử nghiệm lớn của LHC, chụp trong quá trình máy ngừng hoạt động.
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, Yasmine Amhis, nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Vật lý Irène-Joliot Curie, cho biết. Nó “gần giống như một máy dò hoàn toàn mới”.
Kỳ hoạt động này cũng sẽ mang lại cho các nhà vật lý các phép đo chính xác hơn đối với các hạt đã biết, chẳng hạn như boson Higgs. Chỉ riêng điều này có thể tạo ra kết quả mâu thuẫn với lý thuyết vật lý đã biết – ví dụ: khi đo lường chính xác hơn, phạm vi sai số có thể sẽ đủ nhỏ để đẩy kết quả ra ngoài dự đoán của mô hình chuẩn.
Nguồn:

https://www.nature.com/articles/d41586-022-01388-6
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781