Đề tài Máy gia tốc hạt

Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh Khoa vật lý  Bài Thực Hành Môn: Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học Đề tài: GVHD: Lê Văn Hoàng SVTH : o Nguyễn Hải Âu o Đỗ Thị Thanh o Đỗ Thị Hồng Thấm Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 5 năm 2009 1 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Mục lục Mở đầu:………………………………………………………………………….. 2 1. Lịch sử máy gia tốc hạt: .......................................................4 1.1) Định nghĩa máy gia tốc hạt: ...........................................................4 1.2) Phân loại máy gia tốc hạt: ..............................................................4 1.2.1) Máy gia tốc thẳng:.................................................................................. 4 1.2.2) Máy gia tốc vòng: .................................................................................. 4 1.3) Máy gia tốc hạt đầu tiên: ................................................................5 1.4) Một số máy gia tốc hiện nay:[] .......................................................6 2. Vai trò của máy gia tốc:......................................................18 2.1) Tìm hạt cơ bản .............................................................................18 2.1.1) Định nghĩa: ...........................................................................................18 2.1.2) Tính chất: ..............................................................................................18 2.1.3) Phân loại các hạt cơ bản: .......................................................................20 2.1.4) Tương tác của các hạt sơ cấp: ................................................................23 2.2) Phản vật chất:...............................................................................27 2.2.1) Lịch sử hình thành khái niệm phản vật chất: ..........................................27 2.3) Tìm hạt Higgs: .............................................................................30 2.3.1) Ý tưởng cho sự tồn tại của hạt Higgs: ....................................................31 2.3.2) Manh mối tìm ra hạt Higgs:...................................................................34 2.4) Chứng minh thực nghiệm:............................................................34 2.4.1) Tìm trạng thái lỗ đen lượng tử:[] ...........................................................34 2.4.2) Vật chất tối:...........................................................................................35 3. MÁY GIA TỐC LHC:........................................................36 3.1) Định nghĩa: ..................................................................................36 3.2) Giới thiệu chung: .........................................................................36 3.3) Mục đích :[] .................................................................................36 3.4) Thiết kế và vận hành: ...................................................................39 3.5) Bộ phân tích:................................................................................42 3.5.1) ATLAS: ................................................................................................43 3.5.2) CMS: ....................................................................................................44 3.5.3) ALICE: .................................................................................................44 3.5.4) LHCb: ...................................................................................................45 3.5.5) TOTEM: ...............................................................................................45 3.5.6) LHCf: ...................................................................................................46 2 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 3.6) Quá trình hoạt động......................................................................46 3.7) Chi phí .........................................................................................47 3.8) Thông tin: ....................................................................................48 3.9) Sự an toàn của LHC:[] .................................................................48 3.10) Tìm hạt Higgs:[] .......................................................................50 4. Tài liệu tham khảo:.............................................................53 3 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Mở Đầu “You will know the truth, and the Truth will set you free” (Ngươi sẽ biết được sự thật, và sự thật sẽ giải thoát ngươi) John “The truth is rarely pure and is never simple” (Sự thật ít khi trong sáng và không bao giờ đơn giản) Oscar Wilde (nhà thơ, nhà văn Ái Nhĩ Lan) Tôn giáo được sáng chế bởi nhân loại để tìm hiểu và giải thích sự thật khi vắng bóng khoa học. Và với sự tiến bộ của khoa học trong một thời gian ngắn, rất nhiều sự thật được khám phá và giải thích rõ ràng hơn so với những gì tôn giáo đã làm trong nhiều nghìn năm qua. Những tiến bộ trong lĩnh vực khoa học y tế đã làm vơi đi nỗi khổ đau cho nhiều người so với những gì tôn giáo có thể làm. Song song với sự tiến bộ của khoa học là sự thoái trào của niềm tin tôn giáo trong lòng nhiều người, do đó những tranh luận về khoa học và tôn giáo càng thêm sôi nổi khi tôn giáo và khoa học cùng bước vào lĩnh vực siêu hình qua phát minh kỹ thuật của máy gia tốc hạt. Leonardo Vetra - môt nhà khoa học, lại là một linh mục cơ đốc giáo - muốn hợp nhất khoa học và tôn giáo để đưa ra lĩnh vực mới “ Vật lí mới” với công trình nghiên cứu về máy gia tốc hạt và phản vật chất.[1] Theo danh sách mà tạp chí Mỹ Time bình chọn, sự kiện khoa học lớn nhất trong top-ten của năm 2008 là việc máy gia tốc hạt nhân (Large Hadron Collider - LHC) lớn nhất thế giới được khởi động ngày 10/9/2008.[I] Tất cả là lí do chúng em tìm hiểu đề tài này. 1 DAN BROWN ,Thiên Thần Và Ác Qủy,2007, Nhà Xuất Bản Văn Hóa Thông Tin Hà Nội, tr 60-61 4 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 1. Lịch sử máy gia tốc hạt: 1.1) Định nghĩa máy gia tốc hạt: Thiết bị dùng điện trường hay cả điện trường và từ trường để tăng tốc các hạt tích điện đều được gọi chung là máy gia tốc hạt. + Vì vậy nguyên lý hoạt động, cấu tạo, kích thước của các máy gia tốc là khác nhau. Máy gia tốc được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. + Trong vật lý, máy gia tốc đóng vai trò đặc biệt quan trọng, nó được sử dụng trong nghiên cứu các hạt sơ cấp. 1.2) Phân loại máy gia tốc hạt: Người ta phân biệt hai loại máy gia tốc: 1.2.1) Máy gia tốc thẳng: Máy gia tốc thẳng là loại máy gia tốc cổ. Máy gia tốc thẳng cổ nhất là máy gia tốc kiểu Vi-do-ro-e ra đời từ năm 1930: cho chùm hạt mang điện đi qua một dãy nối tiếp các miền trong đó có điện trường, các hạt mang điện sẽ được tăng tốc nhờ điện trường. Cuối cùng, các hạt mang điện có thể có năng lượng khoảng vài trăm MeV. Trong ngành vật lý nghiên cứu cấu trúc người ta thường dùng phối hợp máy gia tốc thẳng với máy gia tốc vòng. một số máy gia tốc thẳng có thể kể đến law chiếc máy của Pháp, khánh thành năm 1958, và những thí nghiệm đầu tiên được tiến hành vào năm 1959. 1.2.2) Máy gia tốc vòng: Máy gia tốc vòng là loại máy gia tốc trong đó các hạt chuyển động theo các đường vòng. Để buộc các hạt chuyển động theo các đường vòng, người ta dùng từ 5 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH trường của nam châm có dạng thích hợp để uốn cong quĩ đạo của hạt. Còn để tăng tốc các hạt thì người ta dùng điện trường. +Có hai kiểu máy gia tốc vòng:  Kiểu cyclotron: trong các cyclotron, quĩ đạo của các hạt tích điện là các đường xoáy ốc phẳng.  Kiểu synchrotron: trong các synchrotron, quĩ đạo của các hạt là đường tròn, muốn quĩ đạo của các hạt là đường tròn người ta phải dùng nhiều nam châm có cảm ứng từ khác nhau và bố trí theo thứ tự cảm ứng từ tăng dần. Mỗi khi hạt được tăng tốc thì cảm ứng từ của từ trường phải tăng tương ứng để giữ cho bán kính của quĩ đạo không đổi. 1.3) Máy gia tốc hạt đầu tiên: Cyclotron là một dạng của máy gia tốc hạt.Cyclotrons: gia tốc những hạt tích điện dùng tần số cao. Một từ trường thẳng đứng gây ra cho hạt theo hình xoắn ốc trong một đường tròn để chúng được gia tốc nhiều lần. Và Ernest Lawrence, của Đại học California, Berkeley, được công nhận với cái máy Cyclotron đầu tiên vào năm 1929. Cyclotron làm việc thế nào? Trong Cyclotron, các điện cực được đặt trên ống chân không, một tần số cao cung cấp cho điện cực “D”( hình chữ D) hút và đẩy những hạt điện tích nằm ở trung tâm của từ trường, các hạt này được gia tốc khi vượt xuyên qua khe giữa hai cực.Từ trường thẳng đứng cùng với lực hút giữa nguyên tử với nguyên tử làm tăng chuyển động của hạt trên đường xoắn ốc. Nếu không thay đổi năng lượng những hạt tích điện trong một từ trường sẽ đi theo một đường tròn. Trong Cyclotron, năng lượng được cung cấp cho 6 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH hạt mang điện khi chúng vượt qua khoảng giữa “D” và vì vậy chúng được gia tốc và sẽ tăng khối lượng khi mà chúng tiến dần đến năng lượng ánh sáng.Cả hai hiệu ứng( tăng vận tốc và tăng khối lượng) sẽ tăng bán kính của hình tròn và vì vậy đường đi sẽ là một đường xoắn ốc. (Những hạt điện tích chuyển động trên một đường xoắn ốc, bởi vì dòng điện của electron hoặc ion, phun thẳng đến một từ trường, những thí nghiệm một lực thẳng. Những hạt điện tích chuyển động tự do trong chân không, vì vậy những hạt điện tích phun ra một đường xoắn ốc.) Bán kính sẽ tăng cho đến khi bắn mục tiêu nằm trên chu vi của ống chân không.Những vật chất khác có thể được dùng làm mục tiêu, và sự va chạm sẽ tạo những hạt điện tích thứ yếu cái mà có thể được dẫn ra ngoài Cyclotron và đi đến dụng cụ phân tích. Kết quả sẽ cho phép tính toán những thuộc tính khác nhau, như là khoảng cách giữa các nguyên tử và những sản phẩm va chạm khác. Mục đích của Cyclotron Trong vài thập kỉ, Cyclotron là cái nguồn tốt nhất của những chùm năng lượng cao của thí nghiệm vật lý hạt nhân, vài Cyclotron thì vẫn dùng cho nghiên cứu. Cyclotron có thể được dùng để xem xét ung thư. Chùm ion từ Cyclotron có thể được dùng, để thâm nhập vào người và diệt khối u ác tính bằng xạ trị. Chùm Cyclotron có thể được bắn phá những nguyên tử khác để tìm ra các hạt đồng vị. 1.4) Một số máy gia tốc hiện nay:[II] Cyclotrons: Máy gia tốc cộng hưởng từ. 7 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Máy gia tốc Vị trí Năm hoạt động Dạng Hạt được gia tốc Động năng Thành quả 9-inch cyclotron UC Berkeley 1931 Tròn H2+ 1.0 MeV Kiểm chứng được khái niệm 11-inch cyclotron UC Berkeley 1932 Tròn Proton 1.2 MeV 27-inch cyclotron UC Berkeley 1932- 1936 Tròn Deuteron 4.8 MeV Khám phá và kiểm chứng tương tác của hạt Deuteron 37-inch cyclotron UC Berkeley 1937- 1938 Tròn Deuteron 8 MeV Khám phá ra các chất đồng vị 60-inch cyclotron UC Berkeley 1939- 1941 Tròn Deuteron 16 MeV Khám phá ra các chất đồng vị 184-inch cyclotron Berkeley Rad Lab[1] 1942- Tròn Various >100 MeV Nghiên cứu sự tách biệt trên đồng vị urani Calutrons Oak Ridge National 1943- Móng ngựa Uranium nuclei Used to separate isotopes for the dự án 8 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Laboratory Manhattan Máy gia tốc đầu tiên xây dựng tại Lawrence Berkeley National Laboratory, sau đó được biết như là Berkeley Radiation Laboratory. Một số máy gia tốc cổ khác: Synchrotrons Máy gia tốc Vị trí Năm hoạt động Dạng Hạt được gia tốc Động năng Thành quả Cosmotron Phòng thí nghiệm quốc tế Brookhaven 1953-1968 Vòng tròn (72 m ) Proton 3.3 GeV Khám phá mesons nhân tạo Birmingham Synchrotron trường đại học Birmingham 1939- Proton 1 GeV Bevatron Berkeley Rad Lab ie LBNL 1954- ~1970 Đường thẳng Proton 6.2 GeV Khám phá hạt lạ :s,antipro ton, antineutr on 9 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Bevalac, kết hợp máy gia tốc thẳng SuperHILA C và máy Bevatron Berkeley Rad Lab ie LBNL ~1970- 1993 Đường thẳng Các hạt nhân đủ vững chắc Quan sát sự nén của hạt nhân, tia ion tác dụng lên khối ung bứu Saturne Saclay, France 3 GeV Synchrophas otron Dubna, Russia December 1949- present 10 GeV Zero Gradient Synchrotron Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne 12.5 GeV Proton Synchrotron CERN 1959- present Vòng tròn (600 m) Proton 28 GeV Alternating Gradient Synchrotron Brookhaven National Laboratory 1960- Proton 33 GeV J/Ψ, muon neutrino, 10 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH CP sự vi phạm trong kaons SLAC Linac Stanford Linear Accelerator center 1966- present máy gia tốc thẳng 3 km Electron/ Positron 50 GeV Fermilab Booster Fermilab 1970- present Tròn Protons 8 GeV Fermilab Main Injector Fermilab 1995- present Tròn Protons and antiproto ns 150 GeV Fermilab Main Ring Fermilab 1970-1995 Circular Synchrotro n Protons and antiproto ns 400 GeV (until 1979), 150 GeV thereafte r Super Proton CERN 1980- present Tròn Protons and ions 480 GeV 11 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Synchrotron Bates Linear Accelerator Middleton, MA 1967-2005 Thẳng Electrons phân cực 1 GeV CEBAF Thomas Jefferson với máy gia tốc quốc gia Newport News, VA 1984- present Electrons phân cực ELSA Physikalisch es Institut der Universität Bonn, Germany 1987- present synchrotro n electrons 3.5 GeV ISIS neutron source Rutherford Appleton Laboratory, Didcot, Oxon 1984- present H- Linac Protons 800 MeV Năng lượng cao khi tia proton được vận hành 12 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH MAMI Mainz, Germany 855 MeV accelerator Electrons phân cực Tevatron Fermilab 1978- present Supercond ucting Circular Synchrotro n Protons 980 GeV Spallation Neutron Source Oak Ridge National Laboratory 2006 - Present Thẳng (335 m) và tròn (248 m) Protons 800 MeV - 1 GeV Sự va chạm của Electron-positron Máy gia tốc Vị trí Năm vận hành Hình dạng và chu vi Năng lượng electron Năng lượng Positro n Thí nghiệm Khám phá AdA Frascati, Italy; Orsay, France 1961 - 1964 Tròn, 3 m 250 MeV 250 MeV công nhận sự ảnh hưởng e+e- (1964) 13 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Princeto n- Stanford (e-e-) Stanford, California 1962 - 1967 2 vòng tròn, 12 m 300 MeV 300 MeV Sản xuất cặp e+e- VEP-1 (e-e-) Novosibirs k, Soviet Union 1964 - 1968 2 vòng tròn, 2.7 m 130 MeV 130 MeV số lượng e+e- trong hiệu ứng phát xạ QED VEPP-2, VEPP- 2M Novosibirs k, Soviet Union 1965 - 1999 Tròn, 17.88 m 700 MeV 700 MeV OLYA, ND, CMD; SND, CMD-2 e+e- -> π (1966), e+e- -> γ (1971) SPEAR SLAC Mark I, Mark II, Mark III PEP SLAC Mark II SLC SLAC 45 GeV 45 GeV SLD, Mark II LEP CERN 1989 - Tròn , 27km 104 GeV 104 GeV Aleph, Delphi, Tương tác yếu, 14 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 2000 Opal, L3 DORIS DESY 1974 - 1993 Tròn , 300m 5 GeV 5 GeV ARGUS, Crystal Ball, DASP, PLUTO Sự dao động của B mesons PETRA DESY 1978 - 1986 Tròn , 2km 20 GeV 20 GeV JADE, MARK-J, PLUTO, TASSO khám phá gluon CESR Cornell University 1979 - 2002 tròn, 768m 6 GeV 6 GeV CUSB, CHESS, CLEO, CLEO-2, CLEO-2.5, CLEO-3 First observation of B decay, charmless and "radiative penguin" B decays CESR-c Cornell University 2002 - 2008 Tròn , 768m 6 GeV 6 GeV CHESS, CLEO-c PEP-II SLAC 1998 Tròn , 2.2 9 GeV 3.1 Babar CP 15 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH - 2008 km GeV viphạm trong cấu trúc B meson KEKB KEK 1999 - 2008 ? Tròn , 3km 8.0 GeV 3.5 GeV Belle CP vi phạm trong cấu trúc B meson VEPP- 2000 Novosibirs k 2006 - Tròn , 24m 1.0 GeV 1.0 GeV VEPP- 4M Novosibirs k 1994 - Tròn , 366m 6.0 GeV 6.0 GeV BEPC China 1989 - 2004 Tròn , 240m 2.2 GeV 2.2 GeV Beijing Spectromet er (I and II) DAΦNE Frascati, Italy 1999 - Tròn , 98m 0.7 GeV 0.7 GeV KLOE BEPC II China 2008 - Tròn , 240m 3.7 GeV 3.7 GeV Beijing Spectromet er III Sự va chạm Hadron: 16 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Máy gia tốc Vị trí Năm vận hành Dạng và kích thước Hạt va chạm Năng lượng của tia Những thí nghiệm Intersecting Storage Rings CERN 1971- 1984 Vòng tròn (948 m) Proton/ Proton 31.5 GeV (Super Proton Synchrotron) CERN 1981- 1984 Vòng tròn (6.9 km) Proton/ Antiproton UA1, UA2 Tevatron Run I Fermilab 1992- 1995 Vòng tròn (6.3km ) Proton/ Antiproton 900 GeV CDF, D0 Tevatron Run II Fermilab 2001- present Vòng tròn (6.3 km) Proton/ Antiproton 980 GeV CDF, D0 RHIC proton+proton mode BNL 2000- present Vòng tròn (3.8 km) Polarized Proton/ Proton 100 đến 250 GeV PHENIX, STAR 17 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Large Hadron Collider CERN 2008- present Vòng tròn (27 km) Proton/ Proton 7 TeV ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM Va chạm Electron-proton : Máy gia tốc Vị trí Năm hoạt động Dạng và kích thước Năng lượng electron Năng lượng proton Thí nghiệm HERA DESY 1992(- 2007) Vòng tròn(6336 m) 27.5 GeV 920 GeV H1, ZEUS, HERMES, HERA-B Va chạm ion: Máy gia tốc Vị trí Năm vận hành Hình dạng và kích thước Ion được dùng Năng lượng ion Cuộc thử nghiệm Relativistic Heavy Ion Collider Brookhaven National Laboratory, New York 2000- 3.8 km Au-Au; Cu-Cu; d- Au; polarized pp 0.1 TeV per nucleon STAR, PHENIX, Brahms, Phobos 18 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Large Hadron Collider, ion mode CERN 2008- Vòng tròn (27km) Pb-pb 2.76 TeV per nucleon ALICE 2. Vai trò của máy gia tốc: 2.1) Tìm hạt cơ bản 2.1.1) Định nghĩa: Hạt cơ bản là những thực thể vi mô tồn tại như một hạt nguyên vẹn, đồng nhất, không thể tách thành các phần nhỏ hơn; ví dụ như các hạt photon, electron, positron, neutrino… 2.1.2) Tính chất: 2.1.2.1 Khối lượng nghỉ: Khối lượng nghỉ hay khối lượng tĩnh của một vật là khối lượng của vật xét trong một hệ quy chiếu mà theo hệ đó, vật là đứng yên. Đại đa số vật chất, trừ phôtôn và nơtrinô, đều có khối lượng nghỉ khác không. 2.1.2.2 Thời gian tồn tại: Các hạt cơ bản đa số có thể phân rã thành các hạt khác. Thời gian sống của chúng dao động từ 10-6 đến 10-24 giây. Một số ít hạt cơ bản được gọi là bền, có thời gian sống rất lớn, có thể coi là bền như electron 1022 năm, prôtôn 1030 năm. Người ta nghiên cứu thời gian sống của hạt cơ bản thông qua lý thuyết xác suất, dựa trên thời gian để một số lượng n hạt sơ cấp phân rã chỉ còn lại 0.5n hạt 19 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 2.1.2.3 Điện tích: Một số hạt trung hòa về điện có điện tích bằng không như phôtôn γ và nơtrinô ν. Một số hạt khác mang điện tích âm hoặc dương, với trị số tuyệt đối đều bằng điện tích nguyên tố của electron 1.602 x 10-19 C 2.1.2.4 Spin: Spin là một khái niệm trong vật lý, là bản chất của mô men xung lượng và là một hiện tượng của cơ học lượng tử thuần túy, không cùng với những sự tương đồng trong cơ học cổ điển. Trong cơ học cổ điển, mô men xung lượng được phát triển từ xung lượng cho sự quay của một vật có khối lượng, và được biểu diễn bằng công thức L = r × p, nhưng spin trong cơ học lượng tử vẫn tồn tại ở một hạt với khối lượng bằng 0, bởi vì spin là bản chất nội tại của hạt đó. Các hạt cơ bản như electron có thể có spin khác 0, ngay cả khi nó được coi là chất điểm và không có cấu trúc nội tại. Khái niệm spin được đưa ra lần đầu vào năm 1925 bởi Ralph Kronig và, đồng thời, bởi George Unlenbeck và Samuel Goudsmit một cách độc lập. 2.1.2.5 Số lạ: Số lạ là đại lượng đặc trưng lượng tử của các hạt cơ bản, được đưa ra khi nghiên cứu quá trình phân rã của các hạt mêzôn K: K+, K0, và hyperon Υ: Λ0, Σ+, Σ0, Σ- tuân theo định luật bảo toàn số lạ. 2.1.2.6 Phản hạt: Phản hạt của một hạt sơ cấp là hạt có cùng khối lượng như hạt đã cho, song có một hoặc một số tính chất vật lý khác cùng độ lớn nhưng có chiều ngược lại. Ví dụ, với điện tử và phản hạt của nó positron thì có điện tích trái dấu, nơtron và phản nơtron là mômen từ. 20 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Hầu hết các hạt cơ bản đều có phản hạt, riêng photon thì không - phản của photon cũng chính là photon. Các cặp hạt - phản hạt:  Điện tử e- - Positron e+  Neutron n – phản neutron antin hay  Proton p hay p + - phản proton hay p − 2.1.3) Phân loại các hạt cơ bản: 2.1.3.1 Hạt Femion: Các hạt fermion có spin bán nguyên, ½. Mỗi hạt fermion đều có một phản hạt riêng. Fermion là hạt cơ bản cấu thành nên vật chất. Chúng được phân loại dựa theo tương tác trong thuyết sắc động học phân tử và theo mô hình chuẩn có 12 hương của fermion cơ bản, bao gồm 6 quark và 6 lepton. Vì có spin nửa nguyên, khi một fermion quay 360°, hàm sóng của fermion sẽ đổi dấu. Đó được gọi là dáng điệu hàm sóng phản đối xứng của fermion. Điều này dẫn đến các fermion tuân theo thống kê Fermi-Dirac, hệ quả của nó là nguyên lý loại trừ Pauli - không có hai fermion nào có thể cùng chiếm một trạng thái cơ lượng tử vào cùng một thời điểm. Trong Mô hình chuẩn, có hai kiểu fermion cơ bản: quark và lepton. . Vì các số fermion thường được bảo toàn xấp xỉ nên đôi khi chúng còn được gọi là các cấu tạo của vật chất. Các quark: 21 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Các quark tương tác với nhau bởi lực màu (color force), mỗi quark đều có phản hạt và tồn tại ở 6 hương. Hệ Tên/Hương Điện tích Khối lượng (MeV) Phản quark Trên (u) +⅔ 1.5 đến 4 Phản quark trên: 1 Dưới (d) −⅓ 4 đến 8 Phản quark dưới: Lạ (s) −⅓ 80 đến 130 Phản quark lạ: 2 Duyên (c) +⅔ 1,150 đến 1,350 Phản quark duyên: Đáy (b) −⅓ 4,100 đến 4,400 Phản quark đáy: 3 Đỉnh (t) +⅔ 178,000 ± 4,300 Phản quark đỉnh: Các Lepton: Lepton (tiếng Hy Lạp là λεπτόν) có nghĩa là "nhỏ" và "mỏng". Tên này có trước khi khám phá ra các hạt tauon, một loại hạt lepton nặng có khối lượng gấp đôi khối lượng của proton. Lepton là hạt có spin bán nguyên, ½, và không tham gia trong tương tác mạnh. Lepton hình thành một nhóm hạt cơ bản phân biệt với các nhóm gauge boson và quark. Cấu trúc quark của neutron Cấu trúc quark của proton 22 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Có 12 loại lepton được biết đến, bao gồm 3 loại hạt vật chất là electron, muon và tauon, cùng 3 neutrino tương ứng và 6 phản hạt của chúng. Tất cả các lepton điện tích đều có điện tích là -1 hoặc + 1 (phụ thuộc vào việc chúng là hạt hay phản hạt) và tất cả các neutrino cùng phản neutrino đều có điện tích trung hòa. Số lepton của cùng một loại được giữ ổn định khi hạt tham gia tương tác, được phát biểu trong định luật bảo toàn số lepton. Hạt điện tích / phản hạt Neutrino / phản neutrino Tên Ký hiệu Điện tích Khối lượng (GeV) Tên Ký hiệu Điện tích Khối lượng (MeV) Electron / Phản electron (positron) −1 / +1 0,000511 Electron neutrino / Electron phản neutrino 0 <0,000003 Muon / Phản muon −1 / +1 0,1056 Muon neutrino / Muon phản neutrino 0 <0,19 Tauon / Phản tauon −1 / +1 1,777 Tau neutrino / Tau phản neutrino 0 <18,2 23 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 2.1.3.2 Hạt Gauge boson: Các boson đều có spin nguyên. Các lực cơ bản của tự nhiên đuợc truyền bởi các hạt gauge boson. Theo mô hình chun có 13 loại hạt boson cơ bản:  Quang tử, photon, có spin 1, là hạt truyền tương tác trong lực điện từ.  Các W boson và Z boson có spin 1 là hạt truyền tương tác trong lực tương tác yếu.  8 gluon có spin 1 là hạt truyền tương tác trong lực tương tác mạnh. Hiện tại, các thuyết vật lý dự đoán về sự tồn tại của một số boson khác như:  Higgs boson, có spin 0, được dự đoán bởi mô hình chuẩn của thuyết điện yếu thống nhất.  Graviton, có spin 2, được cho là hạt truyền tương tác trong lực hấp dẫn và được dự đoán bởi thuyết hấp dẫn lượng tử.  Các thành phần siêu đối xứng của các hạt fermion (là slepton và squark).  Graviscalar có spin 0.  Graviphoton có spin 1.  Goldstone boson.  X boson và phản X boson được dự đoán trong lý thuyết thống nhất GUT. 2.1.4) Tương tác của các hạt sơ cấp: Có 4 loại tương tác cơ bản: 24 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 2.1.4.1 Tương tác mạnh: Lực tương tác mạnh là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên. Lực này giữ các thành phần của hạt nhân nguyên tử lại với nhau, chống lại lực đẩy rất lớn giữa các proton. Lực này được chia làm hai thành phần, lực mạnh cơ bản và lực mạnh dư. Lực tương tác mạnh ảnh hưởng bởi các hạt quark, phản quark và gluon, cũng như các boson truyền tương tác của chúng. Thành phần cơ bản của tương tác mạnh giữ các quark lại với nhau để hình thành các hadron như proton và neutron. Thành phần dư của tương tác mạnh giữ các hadron lại trong hạt nhân của một nguyên tử. Ở đây còn có một hạt gián tiếp là bosonic hadron, hay còn gọi là meson. Theo thuyết sắc động lực học lượng tử, mỗi quark mang trong mình điện tích màu, ở một trong 3 dạng "đỏ", "xanh lam" hoặc "xanh lơ". Đó chỉ là những tên, hoàn toàn không liên hệ gì với màu thực tế. Đối quark là các hạt như "đối đỏ", "đối xanh lam", "đối xanh lơ". Cùng màu đẩy nhau, trái màu hút nhau. Lực hút giữa hạt màu và hạt đối màu của nó là rất mạnh. Các hạt chỉ tồn tại nếu như tổng màu của chúng là trung hòa, nghĩa là chúng có thể hoặc được kết hợp với đối đỏ, đối xanh lam và đối xanh lơ như trong các hạt baryon, proton và neutron, hoặc một quark và một đối quark của nó có sự tương ứng đối màu (như hạt meson). Lực tương tác mạnh xảy ra giữa hai quark là nhờ một hạt trao đổi có tên là gluon. Nguyên lý hoạt động của hạt gluon có thể hiểu như trái bòng bàn, và hai quark là hai vận động viên. Hai hạt quark càng ra xa thì lực tương tác giữa chúng càng lớn, nhưng khi chúng gần xát nhau, thì lực tương tác này bằng 0. Có 8 loại gluon khác nhau, mỗi loại mang một màu điện tích và một đối màu điện tích (có 3 loại màu, nhưng do có sự trung hòa giống như đỏ + xanh + vàng = trắng ngoài tự nhiên, nên chỉ có 8 tổ hợp màu giữa chúng). 25 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Mỗi một cặp tương tác của quark, chúng luôn luôn thay đổi màu, nhưng tổng màu điện tích của chúng được bảo toàn. Nếu một quark đỏ bị hút bởi một quark xanh lam trong một baryon, một gluon mang đối xanh lam và đỏ được giải phóng từ quark đỏ và hấp thụ bởi quark xanh lam, và kết quả, quark đầu tiên chuyển sang quark xanh lam và quark thứ hai chuyển sang quark đỏ (tổng màu điện tích vẫn là xanh lam + đỏ). Nếu một quark xanh lơ và một đối xanh lơ quark tuơng tác với nhau trong một meson, một gluon mang, ví dụ như đối đỏ và xanh lơ sẽ được giải phóng bởi quark xanh lơ và hấp thụ bởi một đối xanh lơ quark, và kết quả, quark xanh lơ chuyển sang màu đỏ và đối xanh lơ đối quark chuyển sang màu đỏ (tổng màu điện tích vẫn là 0). Hai quark xanh lam đẩy nhau và trao đổi một gluon mang điện tích màu xanh lam và đối xanh lam, các quark vẫn dữ nguyên điện tích màu xanh lam. Hiện tượng không thể tách rời các quark xa nhau gọi là hiện tượng giam hãm (confinement). Có một giả thuyết rằng các quark gần nhau sẽ không tồn tại lực tương tác mạnh và trỏ thành tự do, giả thuyết này còn gọi là sự tự do tiệm cận và có thể được giải thích bằng nguyên lý quả bóng bàn như trên. 2.1.4.2 Tương tác điện từ: Lực điện từ là lực mà điện-từ trường tác dụng lên hạt mang điện tích (chuyển động hay đứng yên). Theo biểu diễn cổ điển của lực điện từ, lực này gồm hai thành phần, do điện trường tạo ra (lực điện) và do từ trường tạo ra (lực từ). Lực điện từ đôi khi còn được gọi là lực Lorentz, mặc dù thuật ngữ này cũng có thể chỉ dùng để nói về thành phần gây ra bởi từ trường. Lý do là trong lý thuyết điện từ và lý thuyết tương đối, từ trường và điện trường được thống nhất thành một trường tạo ra tương tác duy nhất gọi là trường điện từ. Đặc biệt, trong 26 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH lý thuyết tương đối, biểu thức lực từ và lực tĩnh điện quy tụ về một biểu thức duy nhất. Việc thống nhất lực điện và lực từ thành một loại lực điện từ cũng phù hợp với quan điểm của lý thuyết điện động lực học lượng tử. Theo lý thuyết này, lực điện từ được gây ra bởi sự trao đổi của hạt trường là photon. Mô hình chuẩn ghi nhận lực điện từ là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên. 2.1.4.3 Tương tác yếu Lực tương tác yếu là 1 trong 4 loại lực cơ bản của tự nhiên xảy ra ở mọi hạt cơ bản, trừ các hạt proton và gluons, ở đó có sự trao đổi của các hạt truyền tương tác là vector W boson và Z boson. Lực tương tác yếu xảy ra ở một biên độ rất ngắn, bởi vì khối lượng của những hạt W boson và Z boson vào khoảng 80 GeV, nguyên lý bất định bức chế chúng trong một khoảng không là 10 − 18 m, kích thước này chỉ nhỏ bằng 0,1% so với đường kính của proton. Trong điều kiện bình thường [cần dẫn nguồn], các hiệu ứng của chúng là rất nhỏ. Có một số định luật bảo toàn hợp lệ với lực tương tác mạnh và lực điện từ, nhưng lại bị phá vỡ bởi lực tương tác yếu. Mặc dầu có biên độ và hiệu xuất thấp, nhưng lực tương tác yếu lại có một vai trò quan trọng trong việc hợp thành thế giới mà trong đó ta quan sát. 2.1.4.4 Tương tác hấp dẫn: Trong vật lý học, lực hấp dẫn là lực hút giữa mọi vật chất và có độ lớn tỷ lệ với khối lượng của chúng. Lực hấp dẫn là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên theo mô hình chuẩn được chấp nhận rộng rãi trong vật lý hiện đại, ba lực cơ bản khác là lực điện từ, lực hạt nhân yếu, và lực hạt nhân mạnh. Lực hấp dẫn là lực yếu nhất trong số các lực đó, nhưng lại có thể hoạt động ở khoảng cách xa và luôn thu hút. 27 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Trong cơ học cổ điển, lực hấp dẫn xuất hiện như một ngoại lực tác động lên vật thể. Trong thuyết tương đối rộng, lực hấp dẫn là bản chất của không thời gian bị uốn cong bởi sự hiện diện của khối lượng, và không phải là một ngoại lực. Trong thuyết hấp dẫn lượng tử, hạt graviton được cho là hạt mang lực hấp dẫn. Lực hấp dẫn của Trái Đất tác động lên các vật thể có khối lượng và làm chúng rơi xuống đất. Lực hấp dẫn cũng giúp gắn kết các vật chất để hình thành Trái Đất, Mặt Trời và các thiên thể khác; nếu không có nó các vật thể sẽ không thể liên kết với nhau và cuộc sống như chúng ta biết hiện nay sẽ không thể tồn tại. Lực hấp dẫn cũng là lực giữ Trái Đất và các hành tinh khác ở trên quỹ đạo của chúng quanh Mặt Trời, Mặt Trăng trên quỹ đạo quanh Trái Đất, sự hình thành thủy triều, và nhiều hiện tượng thiên nhiên khác mà chúng ta quan sát được. 2.2) Phản vật chất: Phản vật chất là khái niệm trong vật lý, được cấu tạo từ những phản hạt cơ bản như phản hạt electron, phản hạt nơtron,… Theo lý thuyết, nếu phản vật chất gặp vật chất thì sẽ nổ tung. 2.2.1) Lịch sử hình thành khái niệm phản vật chất: 2.2.1.1 Giả thiết tưởng tượng: Phản vật chất bắt đầu từ trí tưởng tượng của con người ở những năm 1930. Những người hâm mộ của bộ phim khoa học giả tưởng nổi tiếng Star Trek ("Đường đến các vì sao"), đã biết đến một loại phản vật chất được sử dụng giống như nhiên liệu với năng lượng cao để đẩy những chiếc tàu không gian đi nhanh hơn cả vận tốc ánh sáng. Loại phi thuyền không gian này dường như không thể thiết kế được, nhưng các nhà lý thuyết đã có khả năng biến dạng nhiên liệu tưởng tượng ấy thành hiện thực. Ý tưởng trong truyện tiểu thuyết đã trở thành hiện thực 28 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH bằng việc khám phá ra sự tồn tại của phản vật chất, ở những thiên hà khoảng cách xa và ở thời nguyên sinh của vũ trụ. 2.2.1.2 Giả thiết khoa học: Điều thú vị nhất đó là từ trong trí tưởng tượng, phản vật chất trở thành hiện thực, và mang tính thuyết phục. Năm 1928, nhà vật lý người Anh Paul Dirac đã đặt ra một vấn đề: làm sao để kết hợp các định luật trong thuyết lượng tử vào trong thuyết tương đối đặc biệt của Albert Einstein. Thông qua các bước tính toán phức tạp, Dirac đã vạch định ra hướng để tổng quát hóa hai thuyết hoàn toàn riêng rẽ này. Ông đã giải thích việc làm sao mọi vật càng nhỏ thì vận tốc càng lớn; trong trường hợp đó, các electron có vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Đó là một thành công đáng kể, nhưng Dirac không chỉ dừng lại ở đó, ông nhận ra rằng các bước tính toán của ông vẫn hợp lệ nếu electron vừa có thể có điện tích âm, vừa có thể có điện tích dương - đây là một kết quả ngoài tầm mong đợi. Dirac biện luận rằng, kết quả khác thường này chỉ ra sự tồn tại của một "đối hạt", hay "phản hạt" của electron, chúng hình thành nên một "cặp ma quỷ". Trên thực tế, ông quả quyết rằng mọi hạt đều có "đối hạt" của nó, cùng với những tính chất tương đồng, duy chỉ có sự đối lập về mặt điện tích. Và giống như proton, neutron và electron hình thành nên các nguyên tử và vật chất, các phản proton, phản neutron, phản electron (còn được gọi là positron) hình thành nên phản nguyên tử và phản vật chất. Nghiên cứu của ông dẫn đến một suy đoán rằng có thể tồn tại một vũ trụ ảo tạo bởi các phản vật chất này. Và dự đoán của ông đã được kiểm chứng trong thí nghiệm của Carl Anderson vào năm 1932, cả hai ông đều được giải Nobel cho thành tựu ấy. Các nhà vật lý đã học được nhiều hơn về phản vật chất so với thời điểm của Anderson khám phá ra nó. Một trong những hiểu biết mang tính kịch bản đó là vật chất và phản vật chất kết hợp lại sẽ tạo ra một vụ nổ lớn. Giống như những 29 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH cặp tình nhân gặp nhau trong ngày sau cùng vậy, vật chất và phản vật chất ngay lập tức hút nhau do có điện tích ngược nhau, và tự phá hủy nhau. Do sự tự huỷ tạo ra bức xạ, các nhà khoa học có thể sử dụng các thiết bị để đo "tàn dư" của những vụ va chạm này. Chưa có một thí nghiệm nào có khả năng dò ra được các phản thiên hà và sự trải rộng của phản vật chất trong vũ trụ như trong tưởng tượng của Dirac. Các nhà khoa học vẫn gửi các tín hiệu thăm dò để quan sát xem có tồn tại các phản thiên hà này hay không. Nhưng câu hỏi vẫn làm bối rối các nhà vật lý cũng như những người có trí tưởng tượng cao đó là: phải chăng vật chất và phản vật chất tự hủy khi chúng tiếp xúc nhau. Tất cả các thuyết vật lý đều nói rằng khi vụ nổ lớn (Big Bang), đánh dấu sự hình thành ở 13,5 tỉ năm trước, vật chất và phản vật chất có số lượng bằng nhau. Vật chất và phản vật chất kết hợp lại, và tự hủy nhiều lần, cuối cùng chuyển sang năng lượng, được biết như dạng bức xạ phông vũ trụ. Các định luật của tự nhiên đòi hỏi vật chất và phản vật chất phải được tạo dưới dạng cặp. Nhưng một vài phần triệu giây sau vụ Nổ Lớn Big Bang, vật chất dường như nhiều hơn so với phản vật chất một chút, do đó cứ mỗi tỉ phản hạt thì lại có một tỉ + 1 hạt vật chất. Trong giây đầu hình thành vũ trụ, tất cả các phản vật chất bị phá hủy, để lại sau đó là dạng hạt vật chất. Hiện tại, các nhà vật lý vẫn chưa thể tạo ra được một cơ chế chính xác để mô tả quá trình "bất đối xứng" hay khác nhau giữa vật chất và phản vật chất để giải thích tại sao tất cả các vật chất lại đã không bị phân hủy. 2.2.1.3 Bằng chứng về sự tồn tại của phản vật chất: Một số bằng chứng về sự tồn tại của phản vật chất đã được đưa ra. Quan trọng nhất là việc quan sát các phi đạo của các hạt sơ cấp trong buồng bọt (bubble chamber). Thí nghiệm được tiến hành bởi Carl Anderson vào năm 1932. Ông đã chụp hình được một số cặp phi đạo bị biến mất ngay khi gặp nhau. Dữ liệu này đã làm 30 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH tăng sự tin tưởng rằng có tồn tại các hạt phản vật chất mà khi một hạt tương tác với chính phản hạt cùng loại sẽ triệt tiêu nhau và sinh năng lượng. Năm 1996, Phòng thí nghiệm Fermi, (Chicago, Mỹ) đã tạo ra 7 phản nguyên tử hydro trong một máy gia tốc hạt. Có điều các hạt này tồn tại trong thời gian quá ngắn ngủi, lại chuyển động với tốc độ sát gần ánh sáng, nên không thể lưu giữ để nghiên cứu. Phản Hydro Tháng 10 năm 2002, Phòng thí nghiệm vật lý hạt châu Âu (European Organization for Nuclear Research-CERN) thông báo kết quả thí nghiệm ATRAP, tiếp nối thí nghiệm ATHENA tháng 9, tạo ra phản nguyên tử Hydro từ phản proton và positron. Kết quả đo mức năng lượng của các phản hạt trong phản nguyên tử hydro cho thấy, positron chuyển động trên quỹ đạo khá xa tâm phản proton, dẫn đến hệ thống này tồn tại hết sức kém bền vững. Để có được các phản nguyên tử (anti-atom) bền vững, toàn bộ thí nghiệm cần đặt trong môi trường nhiệt độ sát điểm 0 tuyệt đối (-273 độ C), vì ở nhiệt độ cao, các phản nguyên tử sẽ kết hợp với các nguyên tử của môi trường và biến mất ngay lập tức. 2.3) Tìm hạt Higgs: 31 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Đây là một hạt giả thiết, sinh ra trong một cơ chế tương tác qua lại với các hạt cơ bản nguyên thuỷ để các hạt này có khối lượng như chúng ta đã đo được. Nó là sản phẩm của mô hình chuẩn lý thuyết thống nhất của các hạt cơ bản Trong vài thập kỷ qua, giới vật lý hạt đã xây dựng được một mô hình lý thuyết, tạo nên bộ khung về kiến thức các hạt và lực cơ bản trong tự nhiên. Một trong những thành phần cơ bản của mô hình này là trường lượng tử giả thiết phổ biến chịu trách nhiệm cung cấp khối lượng cho phân tử. Trường này có tên gọi là trường Higgs. Là hệ quả của đối ngẫu sóng-hạt, tất cả các trường lượng tử đều có một hạt cơ bản đi kèm. Hạt đi kèm với trường Higgs được gọi là hạt Higgs, hay Higgs boson, boson Higgs, theo tên của nhà vật lý Peter Higgs. Vì trường Higgs chịu trách nhiệm về khối lượng, việc các hạt cơ bản có khối lượng được nhiều nhà vật lý coi như một dấu hiệu cho thấy sự tồn tại của trường Higgs. Giả sử hạt Higgs tồn tại, chúng ta có thể suy luận được ra khối lượng của nó dựa trên tác động mà nó tạo ra đối với thuộc tính của các hạt và trường khác. Tuy nhiên, việc hạt Higgs có tồn tại hay không vẫn là điều nhiều người tranh cãi. 2.3.1) Ý tưởng cho sự tồn tại của hạt Higgs: Khi đặt chân lên bàn cân, bạn có thể hy vọng rằng cân sẽ chỉ một con số nhỏ hơn đối với ngày hôm trước, bạn mong rằng... mình đang giảm cân. Số chỉ trên bàn cân đó chính là khối lượng của bạn dưới tác dụng của lực hấp dẫn xác định lên trọng lượng của bạn. Nhưng cái gì xác định cho khối lượng của bạn đây? Đó là một trong những câu hỏi được hỏi nhiều và mong chờ có lời giải thích trong vật lý ngày nay. Rất nhiều thí nghiệm thuộc lĩnh vực vật lý hạt nhân trên thế giới đang tìm kiếm bộ máy (mechanism) tạo ra khối lượng. Các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm hạt nhân CERN ở Geneva cũng như tại Fermilab ở Illinois đang hy vọng tìm kiếm được cái họ gọi là "Higgs boson". Họ tin tưởng rằng nó là một 32 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH hạt, cũng có thể là một tập hợp hạt mà chúng có thể tạo ra những hạt có khối lượng khác. Ý tưởng về một hạt tạo ra một khối lượng khác quả là một điều phi trực quan... Phải chăng khối lượng không là một đặc tính cố hữu của vật chất? Nếu không thì làm sao lại có thể tồn tại một thực thể ở đó nó truyền khối lượng vào một thực thể khác bằng cách luân chuyển và bằng cách tương tác với chúng? Một ví dụ có thể giúp bạn hiểu được sự hoạt động của "nguyên lý" này đó là bạn hãy tưởng tượng mình tới dự một bữa tiệc. Với đám đông các khách mời, phân bố chật kín hội trường. Khi một ngôi sao điện ảnh bước vào, đám đông ở cửa vây quanh và bám lấy anh ta. Anh ta thu hút những người gần nhất và di chuyển vào trong. Bằng việc kéo theo một đám đông xung quanh, anh ta đã làm tăng động lượng, một dấu hiệu của khối lượng. Anh ta khó khăn mới có thể thoát ra khỏi đám đông ấy, và càng khó hơn để có thể trở lại chỗ ban đầu. Ảnh hướng của nhóm (đám đông vây quanh) chính là bộ máy Higgs, được đưa ra bởi nhà vật lý người Anh Peter Higgs vào những năm 1960. Lý thuyết đưa ra giả thuyết cho rằng có một dạng lưới biểu trưng cho trường Higgs phủ đầy vũ trụ. Giống như trường điện từ, nó có ảnh hưởng tới những hạt di chuyển xuyên qua nó, nhưng nó cũng liên hệ với vật lý chất rắn. Các nhà khoa học biết rằng khi một electron đi qua một mạng tinh thể nguyên tử điện tích dương, khối lượng của electron có thể tăng lên gấp 40 lần. Điều này cũng có thể đúng với trường Higgs, khi một hạt di chuyển trong nó, nó sẽ bị bóp méo một chút - giống như đám đông vây quanh ngôi sao điện ảnh ở bữa tiệc - và truyền khối lượng cho hạt. Câu hỏi về khối lượng là một vấn đề hóc búa, dẫn đến việc tồn tại hạt Higgs boson để phủ kín khoảng trống còn sót trong Mô Hình Chuẩn. Mô Hình Chuẩn miêu tả 3 trong 4 lưc của tự nhiên: lực điện từ, lực tương tác mạnh, và lực tương tác yếu. Lực điện từ đã được biết một cách cặn kẽ trong nhiều thập kỷ qua. Hiện 33 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH tại, các nhà vật lý dồn sự quan tâm sang lực hạt nhân mạnh, cái bó những phần của hạt nhân nguyên tử lại với nhau, và lực hạt nhân yếu, cái chi phối khả năng phóng xạ cũng như phản ứng hidro (hydrogen fusion), một phản ứng quan trọng tạo ra năng lượng mặt trời. Điện từ học miêu tả sự tương tác giữa các hạt và photon, hình thành những gợn (packet) nhỏ của bức xạ điện từ. Tương tự, lực hạt nhân yếu miêu tả sao hai thực thể khác, hạt W boson và Z boson tương tác với các electron, quark, neutron... Có một sự khác nhau rõ ràng giữa hai tương tác này: photon không có khối lượng, trong khi khối lượng của W và Z lại khá lớn (khoảng 100 lần so với khối lượng của proton). Trong thực tế chúng là một trong những hạt có khối lượng lớn nhất từng biết. Khuynh hướng đầu tiên là giả sử rằng W và Z dễ dàng tồn tại và tương tác với những hạt cơ bản khác. Nhưng trên cơ sở toán học, khối lượng lớn của W và Z mang đến sự mâu thuẫn trong Mô Hình Chuẩn. Để giải thích cho điều này, các nhà vậy lý cho rằng phải có ít nhất một hạt khác - đó là Higgs boson. Những lý thuyết đơn giản nhất dự đoán rằng có một boson, nhưng những lý thuyết khác lại cho rằng có một số. Trong thực tế, quá trình tìm kiếm hạt Higg là một trong những sự việc hào hứng nhất trong nghiên cứu, bởi vì nó có thể dẫn đến những khám phá mới, hoàn chỉnh vật lý hạt. Một số nhà lý thuyết nói rằng nó có thể mang ánh sáng đến cho toàn bộ những dạng tương tác mạnh mới, và số khác tin tương rằng việc nghiên cứu sẽ khám phá ra một vật lý cơ bản đối xứng mang tên "siêu đối xứng". Trước hết, các nhà khoa học muốn xác định phải chăng Higg boson thực sự tồn tại? Quá trình tìm kiếm đã bắt đầu từ hơn 10 năm trước, tại cả hai phòng nghiên cứu CERN tại Geneva và Fermilab ở Illinois. Để tìm kiếm các hạt này, các nhà nghiên cứu phải phá vỡ (smash) những hạt khác với nhau ở vận tốc cực 34 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH lớn. Nếu năng lượng từ sự va chạm này đủ lớn, nó có thể chuyển sang những hạt vật chất nhỏ hơn - có thể là Higgs boson. Những hạt này chỉ tồn tại ở một thời gian ngắn, sau đó tan rã (decay) sang các hạt khác. Vì thế, để chứng minh cho sự xuất hiện của hạt Higgs trong sự va chạm, các nhà nghiên cứu phải tìm được bằng chứng dựa vào các hạt nó sẽ tan rã ra. 2.3.2) Manh mối tìm ra hạt Higgs: Gần đây, Peter Renton, nhà vật lý hạt thuộc Đại học Oxford, vừa cho công bố phương pháp tiếp cận hạt Higgs của mình trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature. Ông cho biết đã lần ra được manh mối về hạt Higgs nhờ các nhà nghiên cứu tại một cơ sở nghiền nguyên tử ở Thuỵ Sỹ. Nếu phát hiện của Renton là chính xác thì khối lượng của Higgs boson được xác định ở vào khoảng 115 gigaelectronvolt. 2.4) Chứng minh thực nghiệm: 2.4.1) Tìm trạng thái lỗ đen lượng tử:[III] Lỗ đen là một giả thuyết hệ quả từ thuyết tương đối rộng của Einstein. Khi khối lượng tích tụ với mật độ khổng lồ quá một giới hạn nào đó thì sức hút (lực hấp dẫn) sẽ làm cho quá trình nén tiếp tục và tạo ra một điểm không gian đặc biệt, giống như lỗ hút của một máy hút bụi công suất cao, khiến cho tất cả vật chất đi đến gần nó đều bị hút tụt vào trong. Ngay cả lượng tử ánh sáng cũng chịu chung số phận, và ta chỉ có ánh sáng “chiếu” vào trong, mà không có ánh sáng phát ra ngoài. Lý do đó làm cho điểm kỳ dị trở thành tối tăm, không thể nhìn thấy và được mang tên là lỗ đen hoặc hốc đen. 35 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Cụ thể, khi 2 proton ép sát vào nhau, nó giống như khi xảy ra sự nén làm tăng mật độ vật chất hạt nhân vượt trên giới hạn tạo ra lực hút của “lỗ đen” 2.4.2) Vật chất tối: Trong vật lý thiên văn, thuật ngữ vật chất tối chỉ đến một loại vật chất giả thuyết trong vũ trụ, có thành phần chưa hiểu. Vật chất tối không phát ra hay phản chiếu đủ bức xạ điện từ để có thể quan sát được bằng kính thiên văn hay các thiết bị đo đạc hiện nay, nhưng có thể nhận nó ra vì những ảnh hưởng hấp dẫn của nó đối với chất rắn và/hoặc các vật thể khác cũng như với toàn thể vũ trụ. Dựa trên hiểu biết hiện nay về những cấu trúc lớn hơn thiên hà, cũng như các lý thuyết được chấp nhận rộng rãi về Vụ Nổ Lớn, các nhà khoa học nghĩ rằng vật chất tối là thành phần cơ bản chiếm tới 70% vật chất trong vũ trụ. Các nhà khoa học đã nhận ra một số hiện tượng mà hợp với sự tồn tại của vật chất tối, bao gồm tốc độ quay của các thiên hà và tốc độ quỹ đạo của những thiên hà trong cụm; thấu kính hấp dẫn các thiên thể phía sau bởi những cụm thiên hà như là Bullet Cluster; và kiểu phân phối nhiệt độ của khí nóng ở các thiên hà và cụm thiên hà. Vật chất tối cũng có vai trò quan trọng đối với sự tạo thành cấu trúc và sự tiến hóa thiên hà, và có ảnh hưởng đo được đến tính không đẳng hướng (anisotropy) của bức xạ phông vi sóng vũ trụ. Các hiện tượng này chỉ rằng vật chất quan sát thấy được trong các thiên hà, các cụm thiên hà, và cả vũ trụ mà có ảnh hưởng đến bức xạ điện từ chỉ là một phần nhỏ của tất cả vật chất: phần còn lại được gọi là "thành phần vật chất tối". 36 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 3. MÁY GIA TỐC LHC: 3.1) Định nghĩa: Máy gia tốc LHC: Chiếc máy gia tốc hạt LHC, tức Large Hadron Collider (hệ gia tốc đối chùm hadron khổng lồ) Thiết bị dùng điện trường và từ trường để tăng tốc các hạt tích điện. Máy gia tốc vòng,kiểu Synchrotrons: quĩ đạo của các hạt là đường tròn. Được thiết kế để tạo va chạm trực diện giữa các tia proton (một trong các loại hạt cơ bản) với động năng cực lớn. 3.2) Giới thiệu chung: Máy gia tốc hạt LHC là máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới hiện nay được chế tạo bởi CERN[2], có chu vi là 26 659 m và nằm sâu 100m dưới lòng đất tại khu vực biên giới Pháp - Thụy Sĩ giữa núi Jura và dãy Alps gần Genève, Thụy Sĩ. Dự án được cung cấp kinh phí và chế tạo với sự tham gia cộng tác của trên 8000 nhà vật lý của 15 quốc gia (1/2 tổng số chuyên gia lĩnh vực này của toàn thế giới) cũng như hàng trăm trường đại học và phòng thí nghiệm. Nhiều nước đã đóng góp tài chính cho LHC (Nhật Bản từ năm 1995, rồi Ấn Độ, Nga, Canada, Trung Quốc, Mỹ...) Theo một bài báo của cựu giám đốc điều khiển CERN khoa học gia Chris Llewellyn Smith trong tạp chí Nature vào tháng 7 năm 2007, ý tưởng xây dựng LHC trong cùng một đường hầm với LEP được bắt đầu từ năm 1977, chỉ vỏn vẹn 2 năm sau khi dự án cho LEP được đề cử. 3.3) Mục đích :[IV] 2 CERN: European Organization for Nuclear Research or Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire in French. Tổ chức nghiên cứu hạt nhân Châu Âu 37 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Được thiết kế tạo va chạm trực diện giữa các tia proton (một trong các loại hạt cơ bản) với động năng cực lớn. Mục đích chính của nó là phá vỡ những giới hạn và mặc định của mô hình chuẩn - những lý thuyết cơ bản hiện thời của vật lý hạt. Trên lý thuyết, chiếc máy này được cho là sẽ chứng minh được sự tồn tại của hạt Higgs, những kết quả nghiên cứu từ chiếc máy này có thể chứng minh những dự đoán từ trước cũng như những liên kết còn thiếu trong mô hình chuẩn, và giải thích được những hạt sơ cấp khác có được những đặc tính như khối lượng như thế nào. Nói cách khác nó trả lời cho các câu hỏi: Hướng phát triển của vũ trụ từ lúc bắt đầu đến nay như thế nào? Vũ trụ bắt đầu với vụ nổ Big Bang - nhưng chúng ta không hoàn toàn hiểu như thế nào hay lý do tại sao nó phát triển theo cách nó đã làm. LHC sẽ cho chúng ta xem như thế nào vấn đề một mẫu rất nhỏ của vật chất một giây sau khi Big Bang. Các nhà nghiên cứu có một số ý tưởng để hy vọng - nhưng cũng mong đợi những bất ngờ! Chúng ta đang sống trong loại vũ trụ nào? Một mục tiêu nữa mà CERN hướng tới là tìm ra bằng chứng của các chiều không gian khác, theo lập luận của lý thuyết siêu dây. Đây là lý thuyết cho rằng các loại hạt cơ bản tạo nên nguyên tử là những dây dao động vô cùng nhỏ, qua đó giải thích được rất nhiều câu hỏi hóc búa trong vật lý. Lý thuyết cho rằng không gian có mười chiều thay vì ba chiều như chúng ta cảm nhận Chuyện gì đã xảy ra trong vụ nổ Big Bang? Vũ trụ đã tạo nên cái gì trước khi chúng ta thấy những vật chất được thành lập như xung quanh? Các LHC sẽ tái hiện điều kiện tồn tại trong thời gian đầu của Big Bang. 38 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Vào phút đầu tiên của Big Bang, các vũ gồm một hỗn hợp các hạt cơ bản: quarks, leptons và gluons các lực lượng các truyền thông. Khi vũ trụ nguội đến 1000 tỷ độ, các quarks và gluons được kết hợp lại thành proton và neutrons. Các va chạm hạt nhân trong LHC phát ra hạt quarks trong một thoáng qua. Điều này sẽ đưa chúng ta trở lại với thời điểm trước khi hình thành các hạt, tái tạo những điều kiện đầu trong sự tiến triển của vũ trụ, khi quarks và gluons được tự do kết hợp. Các mảnh vỡ được phát hiện sẽ cung cấp các thông tin quan trọng về việc này. Phản vật chất ở đâu? Phản hạt của một hạt sơ cấp là hạt có cùng khối lượng như hạt đã cho, song có một hoặc một số tính chất vật lý khác cùng độ lớn nhưng có chiều ngược lại.  Điện tử e- - Positron e+  Neutron n - Phản neutron antin hay  Proton p hay p + - Phản proton hay p − Hầu hết các hạt cơ bản đều có phản hạt, riêng photon thì không - phản của photon cũng chính là photon. Vụ nổ Big Bang đánh dấu sự hình thành ở 13,5 tỉ năm trước, vật chất và phản vật chất có số lượng bằng nhau, nhưng chúng ta chỉ nhìn thấy vật chất. Điều gì đã xảy ra với phản vật chất? Thử nghiệm đã cho thấy một số hạt phá hủy phản hạt, mà có thể giải thích điều này. Một trong những thí nghiệm LHC sẽ nghiên cứu những khác biệt tế nhị giữa vật chất và phản vật chất. Tại sao hạt có khối lượng? Tại sao một số hạt có khối lượng, trong khi khác lại không? Hạt electron và quarks thì có khối lượng, hạt của ánh sáng :photons không có khối lượng. Điều 39 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH gì làm cho sự khác biệt này? Nếu LHC theo như dự đoán của lý thuyết – (Trong vài thập kỷ qua, giới vật lý hạt đã xây dựng được một mô hình lý thuyết chuẩn, tạo nên bộ khung về kiến thức các hạt và lực cơ bản trong tự nhiên. Một trong những thành phần cơ bản của mô hình này là trường lượng tử giả thiết phổ biến, chịu trách nhiệm cung cấp khối lượng cho phân tử. Trường này có tên gọi là trường Higgs. Là hệ quả của đối ngẫu sóng-hạt, tất cả các trường lượng tử đều có một hạt cơ bản đi kèm. Hạt đi kèm với trường Higgs được gọi là hạt Higgs, hay Higgs boson, boson Higgs, theo tên của nhà vật lý Peter Higgs)-LHC sẽ giúp chúng ta hiểu rõ điều này. Tuy nhiên, việc hạt Higgs có tồn tại hay không vẫn là điều nhiều người tranh cãi. Từ nhiều năm nay, các nhà khoa học đã truy lùng loại hạt được gọi là "hạt cơ bản của Chúa" này. Vũ trụ của chúng ta được tạo ra bởi cái gì? LHC được tạo ra được vật chất tối vô hình, loại vật chất không thể nhìn thấy, chiếm tới 96% trọng lượng của vũ trụ. Cho tới nay, vật lý hiện đại vẫn chưa thể giải thích nổi vật chất tối là gì. Đặc biệt, LHC cũng sẽ đưa ra ánh sáng những hạt được gọi là "siêu song song" tạo nên vật chất đen. 3.4) Thiết kế và vận hành: Chiếc máy được chứa trong một đường hầm vòng tròn với chu vi 27 km, nằm ở độ sâu từ 50 đến 175 m dưới mặt đất. Máy gia tốc hạt là một ống hình trụ cực lớn, trong đó các hạt nhỏ hơn nguyên tử được gia tăng tốc độ. Từ trường bên trong ống sẽ liên tục tắt bật cực nhanh để quay các hạt cho đến khi chúng đạt đến siêu vận tốc. Các hạt khi quay trong ống sẽ đạt vận tốc tối đa trên 288.000 km/s và như thế là gần với tốc độ của Ánh sáng. Hơn thế nữa nếu tăng tốc hai hạt từ hai hướng đối lập nhau trong ống và cho chúng va đập vào nhau, các nhà khoa học có thể xé nhỏ thành phần của 40 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH chúng ra là có được thành phần cơ bản nhất của tự nhiên điều đó đồng nghĩa với việc chúng ta có thể tạo ra 1 loại hạt mới, siêu cơ bản. Đường kính hầm là 3,8 m, có cấu trúc bê tông, được xây dựng trong các năm từ 1983 đến 1988. Đường hầm có 4 điểm chạy cắt qua biên giới Pháp-Thụy Sĩ, với phần lớn năm trên nước Pháp. Trên mặt công trình bao gồm rất nhiều thiết bị hỗ trợ như máy nén, quạt gió, các thiết bị điện tử điều khiển và các thiết bị làm mát. Đường hầm chứa LHC có hai đường dẫn tia hạt song song sát nhau, giao nhau ở 4 điểm, mỗi đường sẽ chứa một tia proton, được lưu chuyển vòng quanh vòng tròn từ hai hướng ngược nhau. Có 1.232 nam châm lưỡng cực giữ cho các tia đi đúng đường tròn, thêm vào đó là 392 nam châm tứ cực được dùng để giữ các tia luôn hội tụ, để làm cho cơ hội va chạm dòng hạt ở 4 điểm giao nhau là cao nhất. Tổng cồng có trên 1.600 nam châm siêu dẫn được trang bị, với chiếc nặng nhất lên tới hơn 27 tấn. Cần tới khoảng 96 tấn heli lỏng để giữ các nam châm hoạt động ở nhiệt độ 1,9 độ K, khiến cho LHC trở thành thiết bị siêu lạnh lớn nhất thế giới với nhiệt độ của heli lỏng. Các nam châm điện tứ cực siêu truyền dẫn được dùng để giữ các tia hạt đi tới 4 điểm tương tác, nơi xảy ra va chạm giữa các hạt proton. Một hoặc hai lần một ngày, động năng của các hạt proton được gia tăng từ 450 GeV lên đến 7 TeV, từ trường của các nam châm siêu dẫn lưỡng cực được tăng từ 0.54 lên 8.3 tesla (T). Các proton ở mỗi đường dẫn sẽ có năng lượng đạt 7 TeV, giúp cho năng lượng va chạm đối diện đạt 14 TeV. Ở mức năng lượng này, các proton có hệ số Lorentz là 7.500 và di chuyển với vận tốc bằng 99,9999991% vận tốc ánh sáng. Mỗi giây chúng bay quanh đường hầm 11,000 vòng. Các proton không phải là tia liên tục, thay vào đó được tạo thành các chùm, với khoảng 2,808 chùm, với số lượng đó, khoảng thời gian giữa các va chạm không bao giờ ngắn 41 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH hơn 25 ns. Khi máy gia tốc lần đầu tiên được sử dụng, nó sẽ hoạt động với số chùm ít hơn, khoảng cách thời gian mỗi chùm là 75 ns. Số các chùm sau đó sẽ được tăng lên cho đến quãng cách cuối cùng là 25 ns. Trước khi được đưa vào bộ gia tốc chính, các hạt được đi qua một chuỗi hệ thống tuần tự làm tăng năng lượng của chúng. Hệ thống đầu tiên là máy gia tốc hạt tuyến tính Linac 2 gia tốc các proton lên động năng 50 MeV, sau đó được đưa vào máy Proton Synchrotron Booster. Các proton tại đó được tăng tốc lên 1.4 GeV rồi được dẫn vào máy Proton Synchrotron (PS), ở đây chúng đạt động năng 26 GeV. Cuối cùng máy Super Proton Synchrotron (SPS) được dùng để tăng năng lượng của chúng lên 450 GeV trước khi dẫn vào (qua một giai đoạn 20 phút) vòng tròn chính. Tại đây các chùm proton được tích lũy và tăng tốc lên năng lượng đỉnh là 7 TeV, cuối cùng chúng được dự trữ trong 10 đến 24 tiếng trong khi các va chạm xảy ra tại 4 giao điểm. Máy LHC cũng sẽ được dùng để tạo va chạm các ion nặng chì (Pb) với năng lượng tương tác là 1150 TeV. Các ion Pb đầu tiên sẽ được gia tốc bởi máy gia tốc tuyến tính Linac 3, còn máy phun năng lượng thấp Low-Energy Injector Ring được dùng làm bộ lưu trữ ion và làm mát. Các ion sau đó sẽ được gia tốc lên thêm băng máy PS và SPS trước khi dẫn vào máy LHC, ở đây chúng đạt năng lượng 2,76 TeV trên mỗi hạt nhân. 42 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Tất cả các điều khiển cho máy gia tốc, các dịch vụ của mình và cơ sở hạ tầng kỹ thuật đều dưới một mái nhà tại Trung tâm Kiểm soát CERN. Từ đây, các tia bên trong LHC sẽ được thực hiện cho va chạm tại bốn địa điểm xung quanh máy gia tốc, tương ứng với vị trí của các bộ phân tích. 3.5) Bộ phân tích: 43 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Sáu bộ phân tích đã được xây dựng trong hệ thống của LHC, nằm trong những hang lớn bên dưới mặt đất được đào tại các điểm giao của LHC. Hai bộ phân tích hạt đa mục đích có kích thước lớn: ATLAS experiment( A Toroidal LHC Apparatus ) và Compact Muon Solenoid (CMS).  ATLAS - sẽ được sử dụng để tìm kiếm những dấu hiệu vật lý học mới, bao gồm nguồn gốc của khối lượng và các chiều phụ trợ.  CMS - sẽ lùng sục các hạt Higgs và tìm kiếm những manh mối về bản chất của vật chất tối. Hai bộ A Large Ion Collider Experiment (ALICE) và LHCb( LHC-beauty) có các chức năng riêng biệt hơn.  ALICE – sẽ nghiên cứu một dạng "lỏng" của vật chất gọi là quark-gluon plasma, dạng tồn tại rất ngắn sau Vụ nổ lớn.  LHCb – so sánh những lượng vật chất và phản vật chất được tạo ra trong Vụ nổ lớn. LHCb sẽ cố gắng tìm hiểu chuyện gì đã xảy ra đối với phản vật chất "bị thất lạc". Và hai bộ còn lại nhỏ hơn nhiều là TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation)và LHCf (LHC-forward) dành cho các nghiên cứu chuyên môn đặc biệt. 3.5.1) ATLAS: 44 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Hơn 1700 nhà khoa học từ 159 viện trong 37 quốc gia làm việc trên các thử nghiệm ATLAS (June 2006). Kích thước: dài 46 m, cao 25 m và rộng 25m. Trọng lượng: 7000 tấn Địa điểm: Meyrin, Thụy Sĩ. 3.5.2) CMS: Hơn 2000 nhà khoa học hợp tác trong CMS, đến từ 155 viện trong 37 quốc gia (tháng mười năm 2006). Kích thước: dài 21 m, rộng 15 m và 15 m cao. Cân nặng: 12 500 tấn Địa điểm: Cessy, Pháp 3.5.3) ALICE: 45 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Một phối hợp của hơn 1000 nhà khoa học từ 94 viện ở 28 quốc gia trên các công trình thử nghiệm ALICE (June 2006). Kích thước: dài 26 m, cao 16 m, 16 m rộng. Cân nặng: 10 000 tấn Địa điểm: St Genis-Pouilly, Pháp. 3.5.4) LHCb: Các LHCb hợp tác khoa học có 650 từ 48 viện nghiên cứu ở 13 quốc gia (tháng 4 năm 2006) Kích thước: dài 21m, cao 10m và rộng 13m Trọng lượng: 5600 tấn Địa điểm: Ferney-Voltaire, Pháp. 3.5.5) TOTEM: Totem Các thử nghiệm bao gồm 50 nhà khoa học từ 10 viện nghiên cứu tại 8 quốc gia (2006). Kích thước: dài 440 m, cao 5 m và 5 m rộng 46 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Cân nặng: 20 tấn Địa điểm: Cessy, Pháp (gần CMS) 3.5.6) LHCf: Các LHCf thử nghiệm bao gồm 22 nhà khoa học từ 10 viện trong 4 quốc gia (tháng 9 năm 2006). Kích thước: hai máy, mỗi máy dài 30 cm, cao 80 cm, rộng 10 cm. Cân nặng: 40 kg mỗi máy. Địa điểm: Meyrin, Thụy Sĩ (gần ATLAS) 3.6) Quá trình hoạt động 10/09/2008 : bắt đầu đi vào hoạt động. Những tia hạt đầu tiên được dẫn vào trong máy ngày 10 tháng 9 năm 2008, và phải chờ khoảng 6 đến 8 tuần sau đó mới có được các đợt va chạm với năng lượng cực lớn đầu tiên. Năng lượng của những hạt proton đầu tiên được phóng vào ống là 0,45 tera- electron-volts (1 TeV = 1 triệu triệu electron-volts). Từ nay đến cuối năm, năng lượng này sẽ tăng lên đến 5 TeV để đến năm 2010, khi LHC chạy hết công suất, sẽ đạt được 7 TeV, nghĩa là mỗi khi 2 proton va vào nhau, chúng sẽ tạo ra 1 năng lượng là 14 TeV. Cụ thể, mỗi 1 sự va chạm sẽ giải phóng năng lượng tương đương năng lượng do một đàn 14 con muỗi sinh ra, nhưng tập trung vào một không gian nhỏ hơn 1/1000 tỷ lần so với độ lớn cơ thể 1 con muỗi. Sức công phá này cao hơn rất nhiều so với sức công phá của các máy gia tốc hạt nhân trước đây. 47 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Đường hầm hình tròn dài 27 km ở độ sâu từ 50 đến 171 mét dưới lòng đất giáp biên giới Pháp - Thụy Sĩ là nhà chứa của chiếc máy khổng lồ trị giá 6 tỉ USD. Hệ thống dò các hạt nguyên tử và hạ nguyên tử với tên gọi ATLAS diện tích 46 mét x 25 mét với trọng lượng 7000 tấn dùng để ghi nhận kết quả sự va chạm của hai tia hạt hạ nguyên tử được gắn liền với những dây cáp và dây điện đủ để bao quanh Trái Đất 7 lần. Máy LHC được chế tạo để va chạm hai tia protons (còn gọi là hadrons) với nguồn năng lượng 7 TeV. Một TeV (1,000,000,000,000 electron volts - tetra electron volts) tương đương với nguồn năng lượng di động của một con muỗi. Khả năng của máy gia tốc hạt LHC là nhét nguồn năng lượng của 7,000,000,000,000 con muỗi vào một khoảng không gian 1/1000000 diện tích của một con muỗi. Mỗi tia proton chứa vài 3000 nhóm protons với mỗi nhóm khoảng 100 triệu protons chạy vòng quanh đường hầm được tăng tốc dần dần khi lướt qua 7000 khối nam châm với từ trường được điều khiển bởi đìện lực và giữ ở nhiệt độ thấp bằng chất Helium ở dạng lỏng. Hai tia protons sẽ đạt đến vận tốc 99.999999% vận tốc ánh sáng trước khi va chạm ở tốc độ Sự va chạm này sẽ được quan sát ở nguồn năng lượng 17 TeV với hy vọng khám phá và tìm hiểu hạt hạ nguyên tử thần bí với tên gọi Higg Boson particle (còn được gọi là God particle). 19/09/2008: một kết nối điện giữa 2 nam châm bị hỏng, gây ra một phản ứng dây chuyền dẫn đến hư hại nặng: Một trong số nhiều nam châm khổng lồ tạo nên trái tim của máy gia tốc trở nên quá nóng - hay đúng hơn là lạnh quá ít. Việc sửa chữa cỗ máy giá hơn 2 tỉ euro này sẽ kéo dài nhiều tháng. Dự tính đến Tháng 9- 2009 sẽ hoạt động trở lại. 3.7) Chi phí 48 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Tổng chi phí cho dự án được yêu cầu ở mức từ 3,2 đến 6,4 tỷ € (EURO). Công trình xây dựng mang tên LHC được đồng ý vào năm 1995 với kinh phí là 2,6 tỷ franc Thụy Sĩ (1,6 tỷ €), công với 140 triệu € cho các nghiên cứu. Tuy nhiên, chi phí đã tăng lên, theo ước lượng năm 2001, máy gia tốc cần chi phí 300 triệu € (480 triệu franc), và các thí nghiệm cần 30 triệu € (50 triệu franc), cùng với việc cắt giảm chi phí của CERN, thời gian dự kiến hoàn thành cũng chuyển từ năm 2005 sang tháng 4 năm 2007. Những nam châm siêu dẫn cần mức giá tăng thêm là 120 triệu € (180 triệu franc). Ngoài ra còn có nhiều trở ngại như việc xây một hang ngầm cho chiếc máy Compact Muon Solenoid. 3.8) Thông tin: Chu vi vòng tròn chính xác của LHC là 26 659 m, với tổng số là 9300 khối nam châm bên trong. LHC không chỉ là máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới, chỉ cần một phần tám của hệ thống phân phối làm lạnh sẽ đủ điều kiện như là tủ lạnh lớn nhất thế giới. Tất cả các nam châm có sẵn được làm nguội -193,2 ° C (80 K) bằng cách sử dụng 10 080 tấn nitơ lỏng, trước khi chúng được làm đầy với gần 60 tấn chất lỏng Helium để mang lại cho nó xuống -271,3 ° C (1,9 K). . 3.9) Sự an toàn của LHC:[V] các thùng Helium 49 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Có người cho rằng khi máy này được hoạt động, có nhiều khả năng một lỗ đen nhân tạo được hình thành và nuốt chửng Trái Đất. Có người lại cho rằng sự va chạm sẽ tạo thành các hạt nguyên tử ở hai thể loại vật chất và phản vật chất. Theo lý thuyết thì 2 hạt này khi va chạm sẽ tiêu hủy nhau trong những vụ nổ hạt nhân. Các phần tử cuồng tín thì cho rằng máy LHC sẽ vũ khí đem đến ngày tàn thế giới. Thậm chí có người còn cho rằng máy LHC sẽ tạo nên một lỗ hổng không gian gọi là Wormhole hoặc dimensional flux mà từ đó sẽ tuôn ra những điều bất ngờ khó lường. Nhìn chung đây cũng là giấc mơ thiên đàng của các đọc giả khoa học giả tưởng trước viễn ảnh bị gò bó trong Thái Dương Hệ vì không đạt được vận tốc ánh sáng. Và cũng là ác mộng của những người sợ những gì mình không biết, đồng thời cũng không muốn biết. Những chùm tia bao gồm các hạt có năng lượng cao phóng vào khí quyển Trái Đất với tên gọi bức xạ vũ trụ có năng lượng hơn 1020 eV, tương đương với năng lượng trọng tâm hơn 100 TeV. Nhưng Trái Đất vẫn còn đây. Hơn nữa nguồn năng lượng tối đa của LHC khi hai tia proton va chạm chỉ ở 14 TeV, thì khả năng tạo lỗ đen nhân tạo là chuyện bất cập. Theo nghiên cứu của giáo sư Steve Giddings thuộc ĐH California và Michelangelo Mangano thuộc CERN, lỗ đen mini sẽ bốc hơi chỉ trong vài phần triệu giây theo lý thuyết của bác học người Anh Stephen Hawking. Một trong những đặc tính của lỗ đen là sự phát nhiệt được gọi là Hawking radiations. Dựa vào nguyên lý cơ học lượng tử, các chuyên gia vật lý học và thiên văn học kết luận rằng các lỗ đen lỗ đen nhỏ nhất ở trạng thái ổn định phải có 50 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH trọng lượng Plank mass khoảng 2.43 x1018 GeV/c2. Nhỏ hơn nữa thì các lỗ đen này sẽ phát nhiệt nhiều hơn hút được và sẽ nhỏ dần trước khi biến mất. Trên lý thuyết, lỗ đen nhỏ nhất có thể ổn định và tăng trưởng có diện tích tối thiểu là 0.04 phần Mặt Trời. Lỗ đen nhân tạo mà LHC tạo ra (cho dù có thể) sẽ không to bắng đầu cọng tóc của bạn, và sau khi thoát nhiệt, sẽ biến mất. Đối với các vụ nổ hạt nhân, thì cho dù có xảy ra cho một ở mức độ 175 mét dưới lòng đất trong một môi trường nghiên cứu khép kín thì bạn sẽ nghĩ gi? 3.10) Tìm hạt Higgs:[VI] Các chuyên gia vật lý học và vũ trụ học cho rằng ngay sau khi hiện tượng Big Bang xảy ra, cả vũ trụ không có vật thể với trọng lượng mà chỉ có năng lượng. Khoa học gia Peter Higgs [3]năm 1964 đã sáng chế ra một lý thuyết về hạt hạ nguyên tử thần bí không hiện hữu với tên gọi hạt Higg Boson. Hạt này hiện hữu trong chốc lát sau hiện tượng Big Bang với vai trò hoán chuyển năng lượng thành trọng lượng trong vật chất. Những khám phá về hạt Higg Boson sẽ giúp chúng ta hiểu thêm về sự hình thành của vạn vật trong vũ trụ sau hiện tượng Big Bang. Các cú sốc proton bên trong LHC - máy gia tốc hạt nhân lớn nhất thế giới sẽ giải phóng hơi nóng mạnh gấp 100.000 lần hơi nóng của tâm mặt trời và sẽ cho phép dò tìm ra hạt Higgs. Đó là mong đợi của các nhà khoa học đang nổ lực tại CERN. Khi đặt chân lên bàn cân, bạn có thể hy vọng rằng cân sẽ chỉ một con số nhỏ hơn đối với ngày hôm trước, bạn mong rằng... mình đang giảm cân. Số chỉ trên bàn cân đó chính là khối lượng của bạn dưới tác dụng của lực hấp dẫn xác định lên trọng lượng của bạn. Nhưng cái gì xác định cho khối lượng của bạn đây? 3Peter Higgs- nhà vật lý người Anh 51 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Đó là một trong những câu hỏi được hỏi nhiều và mong chờ có lời giải thích trong vật lý ngày nay. Rất nhiều thí nghiệm thuộc lĩnh vực vật lý hạt nhân trên thế giới đang tìm kiếm bộ máy tạo ra khối lượng. Các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm hạt nhân CERN cũng như tại Fermilab[4] đang hy vọng tìm kiếm được "Higgs boson". Họ tin tưởng rằng nó là một hạt, cũng có thể là một tập hợp hạt mà chúng có thể tạo ra những hạt có khối lượng khác. Ý tưởng về một hạt tạo ra một khối lượng khác quả là một điều phi trực quan...! Phải chăng khối lượng không là một đặc tính cố hữu của vật chất? Nếu không thì làm sao lại có thể tồn tại một thực thể ở đó nó truyền khối lượng vào một thực thể khác bằng cách luân chuyển và bằng cách tương tác với chúng? Một ví dụ có thể giúp bạn hiểu được sự hoạt động của "nguyên lý" này đó là bạn hãy tưởng tượng mình tới dự một bữa tiệc. Với đám đông các khách mời, phân bố chật kín hội trường. Khi một ngôi sao điện ảnh bước vào, đám đông ở cửa vây quanh và bám lấy anh ta. Anh ta thu hút những người gần nhất và di chuyển vào trong. Bằng việc kéo theo một đám đông xung quanh, anh ta đã làm tăng động lượng, một dấu hiệu của khối lượng. Anh ta khó khăn mới có thể thoát ra khỏi đám đông ấy, và càng khó hơn để có thể trở lại chỗ ban đầu. Ảnh hướng của nhóm (đám đông vây quanh) chính là bộ máy Higgs. Lý thuyết đưa ra giả thuyết cho rằng có một dạng lưới biểu trưng cho trường Higgs phủ đầy vũ trụ. Giống như trường điện từ, nó có ảnh hưởng tới những hạt di chuyển xuyên qua nó, nhưng nó cũng liên hệ với vật lý chất rắn. Các nhà khoa học biết rằng khi một electron đi qua một mạng tinh thể nguyên tử điện tích dương, khối lượng của electron có thể tăng lên gấp 40 lần. Điều này cũng có thể 4Ở Chicago Mỹ ,máy gia tốc hạt Tevatron - chiếc máy có chu vi chỉ 6,28 km, ra đời từ năm 1983 với chi phí 120 triệu USD) 52 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH đúng với trường Higgs, khi một hạt di chuyển trong nó, nó sẽ bị bóp méo một chút - giống như đám đông vây quanh ngôi sao điện ảnh ở bữa tiệc - và truyền khối lượng cho hạt. Câu hỏi về khối lượng là một vấn đề hóc búa, dẫn đến việc tồn tại hạt Higgs boson để phủ kín khoảng trống còn sót trong Mô Hình Chuẩn. Mô Hình Chuẩn miêu tả 3 trong 4 lưc của tự nhiên: lực điện từ, lực tương tác mạnh, và lực tương tác yếu. Lực điện từ đã được biết một cách cặn kẽ trong nhiều thập kỷ qua. Hiện tại, các nhà vật lý dồn sự quan tâm sang lực hạt nhân mạnh, cái bó những phần của hạt nhân nguyên tử lại với nhau, và lực hạt nhân yếu, cái chi phối khả năng phóng xạ cũng như phản ứng hidro, một phản ứng quan trọng tạo ra năng lượng mặt trời. Tái tạo sự kiện hạt Higg trong CMS 53 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 4. Tài liệu tham khảo: I gioi/20803043/188/ II III Tin tức/ Tạo ra lỗ đen nhân tạo trong phòng thí nghiệm. IV V VI