Những gì nâng cấp mang lại cho CERN

Sáu năm sau khi phát hiện ra, boson Higgs xác thực một dự đoán. Sắp tới, bản nâng cấp cho Máy va chạm Hadron Lớn sẽ cho phép các nhà khoa học CERN sản xuất nhiều hạt hơn này để thử nghiệm Mô hình tiêu chuẩn của vật lý

Một sự kiện ứng cử viên ATLAS cho boson Higgs (H) phân rã thành hai quark đáy (b), kết hợp với boson W phân rã thành muon (μ) và neutrino (ν). (Ảnh: ATLAS / CERN)

Do Rashmi Raniwala & Sudhir Raniwala viết kịch bản

Sáu năm sau khi hạt Higgs được phát hiện tại Máy va chạm Hadron Lớn (LHC) CERN, tuần trước các nhà vật lý hạt thông báo rằng họ đã quan sát được cách hạt khó nắm bắt phân rã. Phát hiện được trình bày bởi sự hợp tác giữa ATLAS và CMS, đã quan sát thấy boson Higgs phân rã thành các hạt cơ bản được gọi là hạt quark đáy.

Vào năm 2012, phát hiện đoạt giải Nobel về boson Higgs đã xác thực Mô hình chuẩn của vật lý, mô hình này cũng dự đoán rằng khoảng 60% thời gian một boson Higgs sẽ phân rã thành một cặp quark đáy. Theo CERN, việc kiểm tra dự đoán này là rất quan trọng vì kết quả sẽ hỗ trợ cho Mô hình Chuẩn - được xây dựng dựa trên ý tưởng rằng trường Higgs tạo ra hạt quark và các hạt cơ bản khác có khối lượng - hoặc làm nền tảng của nó trở nên giống vật lý mới.

Boson Higgs được phát hiện bằng cách nghiên cứu sự va chạm của các hạt ở các năng lượng khác nhau. Nhưng chúng chỉ tồn tại trong một zeptosecond, tức là 0,000000000000000000001 giây, vì vậy việc phát hiện và nghiên cứu các đặc tính của chúng đòi hỏi một lượng năng lượng đáng kinh ngạc và các thiết bị dò tiên tiến. CERN đã thông báo vào đầu năm nay rằng họ đang nhận được một bản nâng cấp lớn, sẽ hoàn thành vào năm 2026.

Tại sao phải nghiên cứu về hạt?

Vật lý hạt thăm dò tự nhiên ở quy mô cực lớn, để hiểu các thành phần cơ bản của vật chất. Cũng giống như hướng dẫn ngữ pháp và từ vựng (và hạn chế) giao tiếp của chúng ta, các hạt giao tiếp với nhau theo các quy tắc nhất định được gắn trong cái được gọi là 'bốn tương tác cơ bản'. Các hạt và ba trong số các tương tác này được mô tả thành công bằng một cách tiếp cận thống nhất được gọi là Mô hình Chuẩn. SM là một khuôn khổ yêu cầu sự tồn tại của một hạt được gọi là boson Higgs, và một trong những mục đích chính của LHC là tìm kiếm boson Higgs.

Làm thế nào những hạt nhỏ như vậy được nghiên cứu?

Các proton được thu thập thành chùm, được tăng tốc gần bằng tốc độ ánh sáng và tạo ra va chạm. Nhiều hạt xuất hiện từ một vụ va chạm như vậy, được gọi là một sự kiện. Các hạt nổi lên thể hiện một mô hình dường như ngẫu nhiên nhưng tuân theo các quy luật cơ bản chi phối một phần hành vi của chúng. Nghiên cứu các dạng phát xạ của các hạt này giúp chúng ta hiểu được các đặc tính và cấu trúc của các hạt.

Ban đầu, LHC cung cấp các vụ va chạm ở năng lượng chưa từng có cho phép chúng tôi tập trung vào việc nghiên cứu các vùng lãnh thổ mới. Tuy nhiên, bây giờ là lúc để tăng tiềm năng khám phá của LHC bằng cách ghi lại một số lượng lớn hơn các sự kiện.

(Nguồn: CERN)

Vì vậy, nâng cấp sẽ có nghĩa là gì?

Sau khi phát hiện ra boson Higgs, bắt buộc phải nghiên cứu các đặc tính của hạt mới phát hiện và ảnh hưởng của nó đối với tất cả các hạt khác. Điều này đòi hỏi một số lượng lớn các boson Higgs. SM có những thiếu sót của nó, và có những mô hình thay thế để lấp đầy những khoảng trống này. Tính hợp lệ của các mô hình này và các mô hình khác cung cấp giải pháp thay thế cho SM có thể được kiểm tra bằng cách thử nghiệm để kiểm tra các dự đoán của chúng. Một số dự đoán trong số này, bao gồm các tín hiệu về vật chất tối, các hạt siêu đối xứng và những bí ẩn sâu xa khác của tự nhiên là rất hiếm và do đó rất khó quan sát, càng đòi hỏi sự cần thiết của LHC có độ sáng cao (HL-LHC).

Hãy tưởng tượng bạn đang cố gắng tìm một loại kim cương quý hiếm trong số rất lớn các mảnh có vẻ ngoài giống nhau. Thời gian cần thiết để tìm viên kim cương đáng mơ ước sẽ phụ thuộc vào số lượng mảnh được cung cấp trên một đơn vị thời gian để kiểm tra và thời gian kiểm tra. Để hoàn thành nhiệm vụ này nhanh hơn, chúng ta cần tăng số lượng mảnh được cung cấp và kiểm tra nhanh hơn. Trong quá trình này, một số mảnh kim cương mới, cho đến nay vẫn chưa được quan sát và chưa biết, có thể được phát hiện, làm thay đổi quan điểm của chúng ta về các loại kim cương quý hiếm.

Sau khi được nâng cấp, tỷ lệ va chạm sẽ tăng lên và xác suất của hầu hết các sự kiện hiếm cũng vậy. Ngoài ra, việc xác định rõ các đặc tính của hạt Higgs sẽ đòi hỏi nguồn cung dồi dào của chúng. Sau khi nâng cấp, tổng số hạt Higgs được sản xuất trong một năm có thể gấp khoảng 5 lần số lượng được sản xuất hiện tại; và trong cùng một khoảng thời gian, tổng số dữ liệu được ghi có thể nhiều hơn 20 lần.

Với độ sáng được đề xuất (thước đo số proton đi qua trên một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian) của HL-LHC, các thí nghiệm sẽ có thể ghi lại dữ liệu nhiều hơn khoảng 25 lần trong cùng khoảng thời gian như khi LHC đang chạy. Chùm trong LHC có khoảng 2.800 chùm, mỗi chùm chứa khoảng 115 tỷ proton. HL-LHC sẽ có khoảng 170 tỷ proton trong mỗi chùm, góp phần làm tăng độ sáng lên 1,5.

Nó sẽ được nâng cấp như thế nào?

Các proton được giữ lại với nhau trong một nhóm bằng cách sử dụng từ trường mạnh thuộc loại đặc biệt, được hình thành bằng cách sử dụng nam châm tứ cực. Tập trung nhóm thành một kích thước nhỏ hơn yêu cầu trường mạnh hơn, và do đó dòng điện lớn hơn, đòi hỏi phải sử dụng cáp siêu dẫn. Các công nghệ mới hơn và vật liệu mới (Niobi-thiếc) sẽ được sử dụng để tạo ra từ trường mạnh cần thiết gấp 1,5 lần từ trường hiện tại (8-12 tesla).

Việc tạo ra các cuộn dây dài cho các trường như vậy đang được thử nghiệm. Thiết bị mới sẽ được lắp đặt trên 1,2 km của vòng LHC dài 27 km gần với hai thí nghiệm chính (ATLAS và CMS), để lấy nét và ép các chùm ngay trước khi chúng vượt qua.

Những sợi cáp dài hàng trăm mét bằng vật liệu siêu dẫn (liên kết siêu dẫn) có khả năng mang điện đến 100.000 ampe sẽ được sử dụng để kết nối bộ chuyển đổi điện năng với máy gia tốc. LHC lấy các proton từ một chuỗi máy gia tốc, chuỗi này cũng sẽ cần được nâng cấp để đáp ứng các yêu cầu về độ sáng cao.

Vì chiều dài của mỗi chùm là vài cm, để tăng số lượng va chạm, một độ nghiêng nhẹ được tạo ra trong các bó ngay trước khi va chạm để tăng diện tích chồng chéo hiệu quả. Điều này đang được thực hiện bằng cách sử dụng 'hốc cua'.

Cộng đồng vật lý hạt thực nghiệm ở Ấn Độ đã tích cực tham gia vào các thí nghiệm ALICE và CMS. HL-LHC cũng sẽ yêu cầu nâng cấp những thứ này. Cả việc thiết kế và chế tạo máy dò mới cũng như phân tích dữ liệu tiếp theo sẽ có sự đóng góp đáng kể của các nhà khoa học Ấn Độ.

Chia Sẻ VớI BạN Bè CủA BạN: