Máy va chạm Hadron lớn (LHC) là một điều kỳ diệu của vật lý hạt hiện đại đã cho phép các nhà nghiên cứu tìm ra chiều sâu của thực tế. Nguồn gốc của nó kéo dài từ năm 1977, khi Sir John Adams, cựu giám đốc của Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN), đề nghị xây dựng một đường hầm ngầm có thể chứa máy gia tốc hạt có khả năng đạt năng lượng cực cao, theo một Tài liệu lịch sử năm 2015 của nhà vật lý Thomas Schorner-Sadenius.
Dự án đã được chính thức phê duyệt hai mươi năm sau đó, vào năm 1997, và việc xây dựng bắt đầu trên một vành đai dài 16,5 dặm (27 km) đi qua bên dưới biên giới Pháp-Thụy Sĩ có khả năng tăng tốc các hạt lên tới 99,99% tốc độ ánh sáng và phá vỡ chúng cùng với nhau. Trong vòng, 9.300 nam châm dẫn hướng các gói hạt tích điện theo hai hướng ngược nhau với tốc độ 11.245 lần một giây, cuối cùng đưa chúng lại với nhau để va chạm trực diện. Cơ sở này có khả năng tạo ra khoảng 600 triệu va chạm mỗi giây, phun ra một lượng năng lượng đáng kinh ngạc và, thỉnh thoảng, một hạt nặng kỳ lạ và chưa từng thấy. LHC hoạt động ở mức năng lượng cao hơn 6,5 lần so với máy gia tốc hạt giữ kỷ lục trước đó, Tevatron đã ngừng hoạt động của Fermilab ở Hoa Kỳ.
LHC tốn tổng cộng 8 tỷ đô la để xây dựng, 531 triệu đô la đến từ Hoa Kỳ. Hơn 8.000 nhà khoa học từ 60 quốc gia khác nhau hợp tác trong các thí nghiệm của mình. Máy gia tốc lần đầu tiên bật chùm của nó vào ngày 10 tháng 9 năm 2008, va chạm các hạt chỉ với một phần mười triệu cường độ thiết kế ban đầu của nó.
Trước khi nó bắt đầu hoạt động, một số người lo ngại rằng máy nghiền nguyên tử mới sẽ phá hủy Trái đất, có lẽ bằng cách tạo ra một lỗ đen tiêu tốn toàn bộ. Nhưng bất kỳ nhà vật lý có uy tín sẽ nói rằng những lo lắng như vậy là không có cơ sở.
"LHC là an toàn, và bất kỳ đề nghị nào có thể gây ra rủi ro là hư cấu thuần túy", Tổng giám đốc Cern Robert Aymar đã nói với LiveScience trong quá khứ.
Điều đó không có nghĩa là cơ sở không có khả năng gây hại nếu sử dụng không đúng cách. Nếu bạn dính tay vào chùm tia, tập trung năng lượng của một hàng không mẫu hạm chuyển động xuống chiều rộng dưới một milimet, nó sẽ tạo ra một lỗ xuyên qua nó và sau đó bức xạ trong đường hầm sẽ giết chết bạn.
Nghiên cứu đột phá
Trong 10 năm qua, LHC đã cùng nhau đập tan các nguyên tử cho hai thí nghiệm chính là ATLAS và CMS, hoạt động và phân tích dữ liệu của chúng một cách riêng biệt. Điều này là để đảm bảo rằng không có sự hợp tác nào ảnh hưởng đến nhau và mỗi bên cung cấp một kiểm tra về thí nghiệm chị em của họ. Các công cụ đã tạo ra hơn 2.000 bài báo khoa học về nhiều lĩnh vực vật lý hạt cơ bản.
Vào ngày 4 tháng 7 năm 2012, thế giới khoa học theo dõi hơi thở bị cấm đoán khi các nhà nghiên cứu tại LHC tuyên bố phát hiện ra hạt Higgs, mảnh ghép cuối cùng trong một lý thuyết kéo dài 5 thập kỷ gọi là Mô hình vật lý tiêu chuẩn. Mô hình Chuẩn cố gắng tính toán tất cả các hạt và lực đã biết (trừ trọng lực) và các tương tác của chúng. Trở lại năm 1964, nhà vật lý người Anh Peter Higgs đã viết một bài báo về hạt hiện mang tên ông, giải thích cách thức phát sinh hàng loạt trong vũ trụ.
Higgs thực sự là một lĩnh vực thấm vào tất cả không gian và kéo theo mọi hạt di chuyển qua nó. Một số hạt di chuyển chậm hơn qua trường và điều này tương ứng với khối lượng lớn hơn của chúng. Các boson Higgs là một biểu hiện của lĩnh vực này, mà các nhà vật lý đã theo đuổi trong nửa thế kỷ. LHC được xây dựng rõ ràng để cuối cùng chiếm được mỏ đá khó nắm bắt này. Cuối cùng phát hiện ra rằng hạt Higgs có khối lượng gấp 125 lần khối proton, cả Peter Higgs và nhà vật lý lý thuyết người Bỉ Francois Englert đều được trao giải thưởng Nobel năm 2013 vì dự đoán sự tồn tại của nó.
Ngay cả khi có hạt Higgs trong tay, các nhà vật lý không thể nghỉ ngơi vì Mô hình Chuẩn vẫn còn một số lỗ hổng. Đối với một người, nó không đối phó với lực hấp dẫn, phần lớn được bao phủ bởi các lý thuyết tương đối của Einstein. Nó cũng không giải thích được tại sao vũ trụ được tạo thành từ vật chất chứ không phải phản vật chất, thứ đáng lẽ phải được tạo ra với số lượng gần bằng nhau vào đầu thời gian. Và nó hoàn toàn im lặng trước vật chất tối và năng lượng tối, vẫn chưa được khám phá khi nó được tạo ra lần đầu tiên.
Trước khi LHC bật, nhiều nhà nghiên cứu đã nói rằng lý thuyết vĩ đại tiếp theo là một lý thuyết siêu đối xứng, bổ sung các đối tác sinh đôi tương tự nhưng lớn hơn nhiều cho tất cả các hạt đã biết. Một hoặc nhiều trong số những đối tác nặng ký này có thể là một ứng cử viên hoàn hảo cho các hạt tạo thành vật chất tối. Và, siêu đối xứng bắt đầu nắm bắt được lực hấp dẫn, giải thích lý do tại sao nó yếu hơn rất nhiều so với ba lực cơ bản còn lại. Trước phát hiện của Higgs, một số nhà khoa học đã hy vọng rằng boson cuối cùng sẽ hơi khác so với những gì Mô hình Chuẩn dự đoán, gợi ý về vật lý mới.
Nhưng khi Higgs bật lên, nó cực kỳ bình thường, chính xác là trong phạm vi đại chúng mà Mô hình Chuẩn cho biết nó sẽ như vậy. Mặc dù đây là một thành tựu tuyệt vời cho Mô hình Chuẩn, nhưng nó đã khiến các nhà vật lý không có bất kỳ sự dẫn dắt tốt nào để tiếp tục. Một số người đã bắt đầu nói về những thập kỷ bị mất theo đuổi những lý thuyết nghe có vẻ hay trên giấy nhưng dường như không tương ứng với những quan sát thực tế. Nhiều người đang hy vọng rằng các lần chạy dữ liệu tiếp theo của LHC sẽ giúp dọn dẹp một số mớ hỗn độn này.
LHC ngừng hoạt động vào tháng 12 năm 2018 để trải qua hai năm nâng cấp và sửa chữa. Khi nó trở lại trực tuyến, nó sẽ có thể đập vỡ các nguyên tử cùng với một sự gia tăng năng lượng nhẹ nhưng với số lượng gấp đôi số lần va chạm mỗi giây. Những gì nó sẽ tìm thấy sau đó là đoán của bất cứ ai. Người ta đã nói về một máy gia tốc hạt thậm chí còn mạnh hơn để thay thế nó, nằm trong cùng khu vực nhưng gấp bốn lần kích thước của LHC. Sự thay thế khổng lồ có thể mất 20 năm và 27 tỷ đô la để xây dựng.
