Quay trở lại năm 2008, một chùm proton lần đầu tiên được nén xung quanh Máy va chạm Hadron lớn (LHC), máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới. Bây giờ, một thập kỷ sau, đã đến lúc nắm bắt những gì chúng ta đã học được nhờ vào cơ sở này và những gì nằm ở phía trước.
Kế toán này bao gồm cả nghiên cứu trong tương lai rằng LHC có thể tiến hành và các cơ sở mới có thể va chạm các hạt với năng lượng vượt xa những gì LHC có thể đạt được. Hai, hoặc có thể ba, thay thế có thể cho LHC đã được đề xuất. Vì vậy, hãy xem lại chúng ta đang ở đâu và chúng ta đã đến đâu trong thập kỷ qua.
Câu chuyện về LHC vừa vui vừa hỗn loạn, với các sự kiện từ thiệt hại thảm khốc đến nam châm khổng lồ của nhạc cụ trong những ngày đầu hoạt động, đến sự trỗi dậy như phượng hoàng từ thảm kịch đó, sau đó là những khám phá vững chắc và thú vị, bao gồm cả khám phá boson Higgs. Phát hiện đó đã mang lại cho Peter Higgs và Francois Englert giải thưởng Nobel, vì họ đã dự đoán hạt này hơn nửa thế kỷ trước. Thật là bất thường khi thế giới theo dõi tin tức vật lý hạt, nhưng thông báo về khám phá của Higgs đã dẫn các bản tin trên toàn cầu.
Tìm vật lý mới
Các nhà vật lý cũng đứng ở rìa ghế của họ, chờ đợi những gì họ hy vọng sẽ là những khám phá bất ngờ. Trong gần nửa thế kỷ, các nhà khoa học đã có sự hiểu biết lý thuyết hiện tại về hành vi của vật chất hạ nguyên tử. Sự hiểu biết này được gọi là Mô hình chuẩn của vật lý hạt.
Mô hình giải thích hành vi quan sát được của các phân tử và nguyên tử của vật chất thông thường và thậm chí của các khối xây dựng nhỏ nhất từng được quan sát. Những hạt này được gọi là quark và lepton, với các quark được tìm thấy bên trong các proton và neutron bao gồm hạt nhân của nguyên tử và với các electron là lepton quen thuộc nhất. Mô hình chuẩn cũng giải thích hành vi của tất cả các lực đã biết, ngoại trừ trọng lực. Đó thực sự là một thành tựu khoa học phi thường.
Tuy nhiên, Mô hình Chuẩn không giải thích tất cả mọi thứ trong vật lý lý thuyết. Nó không giải thích tại sao các quark và lepton dường như tồn tại trong ba cấu hình riêng biệt, nhưng gần như giống hệt nhau, được gọi là các thế hệ. (Tại sao ba? Tại sao không phải hai? Hoặc bốn? Hoặc một? Hoặc 20?) Mô hình này không giải thích tại sao vũ trụ của chúng ta được tạo ra hoàn toàn bằng vật chất, khi sự hiểu biết đơn giản nhất về thuyết tương đối của Albert Einstein nói rằng vũ trụ cũng nên chứa một lượng phản vật chất bằng nhau.
Mô hình chuẩn không giải thích được tại sao các nghiên cứu về vũ trụ cho thấy rằng vật chất thông thường của các nguyên tử chỉ chiếm 5% vật chất và năng lượng của vũ trụ. Phần còn lại được cho là bao gồm vật chất tối và năng lượng tối. Vật chất tối là một dạng vật chất chỉ trải qua lực hấp dẫn và không có lực cơ bản nào khác, trong khi năng lượng tối là một dạng lực hấp dẫn thấm vào vũ trụ.
Trước các hoạt động đầu tiên của LHC, các nhà vật lý như tôi hy vọng rằng máy nghiền nguyên tử sẽ giúp chúng ta trả lời những câu hỏi khó hiểu này. Lý thuyết ứng cử viên thường được trích dẫn nhất để giải thích những câu đố đó được gọi là siêu đối xứng. Nó gợi ý rằng tất cả các hạt hạ nguyên tử đã biết đều có các hạt đối tác "siêu đối tác". Đến lượt chúng, có thể đưa ra lời giải thích cho vật chất tối và trả lời một số câu hỏi khác. Tuy nhiên, các nhà vật lý đã không quan sát thấy bất kỳ siêu đối xứng. Hơn nữa, dữ liệu LHC đã loại trừ các lý thuyết đơn giản nhất kết hợp siêu đối xứng. Vậy, LHC đã đạt được những gì?
LHC đã làm rất nhiều
Chà, ngoài toàn bộ điều Higgs đó, LHC đã cung cấp dữ liệu cho bốn hợp tác thử nghiệm lớn của nó, dẫn đến hơn 2.000 bài báo khoa học. Bên trong LHC, các hạt đã được đập vào nhau với năng lượng cao gấp 6,5 lần so với Fermilab Tevatron, người giữ danh hiệu máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới trong một phần tư thế kỷ, cho đến khi LHC giành được vương miện đó.
Những thử nghiệm của Mô hình Chuẩn rất quan trọng. Bất kỳ một trong những phép đo đó có thể không đồng ý với các dự đoán, điều này sẽ dẫn đến một khám phá. Tuy nhiên, hóa ra Mô hình Chuẩn là một lý thuyết rất tốt và nó đã đưa ra dự đoán chính xác về năng lượng va chạm LHC giống như đối với các mức năng lượng trong Tevatron trước đó.
Vì vậy, đây có phải là một vấn đề? Trong một ý nghĩa rất thực tế, câu trả lời là không. Xét cho cùng, khoa học cũng nhiều về việc thử nghiệm và từ chối những ý tưởng mới sai cũng như về việc xác nhận những ý tưởng đúng.
Mặt khác, không thể phủ nhận rằng các nhà khoa học sẽ phấn khích hơn nhiều khi tìm thấy những hiện tượng mà trước đây không dự đoán được. Những khám phá về loại hình đó thúc đẩy kiến thức của con người, đỉnh cao là việc viết lại sách giáo khoa.
Câu chuyện LHC chưa kết thúc
Thế bây giờ thì thế nào? LHC đã hoàn thành cho chúng tôi biết câu chuyện của nó? Khó khăn. Thật vậy, các nhà nghiên cứu đang mong đợi những cải tiến cho thiết bị sẽ giúp họ nghiên cứu các câu hỏi mà họ không thể giải quyết bằng cách sử dụng công nghệ hiện tại. LHC ngừng hoạt động vào đầu tháng 12 năm 2018 trong hai năm tân trang và nâng cấp. Khi máy gia tốc hoạt động trở lại vào mùa xuân năm 2021, nó sẽ trở lại với mức tăng năng lượng nhẹ nhưng gấp đôi số lần va chạm mỗi giây. Có tính đến các nâng cấp theo kế hoạch trong tương lai, cho đến nay các nhà khoa học LHC chỉ ghi nhận được 3% dữ liệu dự kiến. Mặc dù sẽ mất nhiều năm để sàng lọc tất cả các phát hiện, kế hoạch hiện tại là ghi lại dữ liệu nhiều hơn khoảng 30 lần so với những gì đã đạt được cho đến nay. Với nhiều dữ liệu sắp tới, LHC vẫn còn rất nhiều câu chuyện để kể.
Tuy nhiên, trong khi LHC sẽ hoạt động trong 20 năm nữa, điều đó hoàn toàn hợp lý để hỏi, "Tiếp theo là gì?" Các nhà vật lý hạt đang nghĩ về việc xây dựng máy gia tốc hạt tiếp theo để thay thế LHC. Theo truyền thống LHC, một khả năng sẽ va chạm các chùm proton với nhau ở các năng lượng gây khó chịu - 100 nghìn tỷ volt điện tử (TeV), lớn hơn nhiều so với khả năng 14 TeV hàng đầu của LHC. Nhưng để đạt được những năng lượng đó sẽ cần hai điều: Thứ nhất, chúng ta cần chế tạo nam châm mạnh gấp đôi so với những năng lượng đẩy các hạt xung quanh LHC. Điều đó được coi là thách thức nhưng có thể đạt được. Thứ hai, chúng tôi sẽ cần đường hầm khác, giống như LHC, nhưng hơn ba lần lớn hơn xung quanh, với một chu vi sân chơi bóng chày của 61 dặm (100 km), khoảng lớn hơn so với LHC bốn lần.
Nhưng đường hầm lớn này sẽ được xây dựng ở đâu, và nó sẽ thực sự trông như thế nào? Những chùm tia nào sẽ va chạm và ở năng lượng nào? Vâng, đó là những câu hỏi hay. Chúng ta không đủ xa trong quá trình thiết kế và ra quyết định để có câu trả lời, nhưng có hai nhóm nhà vật lý rất lớn và thành đạt đang nghĩ về các vấn đề và mỗi người đã tạo ra một đề xuất cho máy gia tốc mới. Một trong những đề xuất, phần lớn được thúc đẩy bởi các nhóm nghiên cứu châu Âu, tưởng tượng việc xây dựng một máy gia tốc bổ sung lớn, rất có thể được đặt tại phòng thí nghiệm Cern, ngay bên ngoài Geneva.
Theo một ý tưởng, một cơ sở ở đó sẽ va chạm một chùm electron và electron phản vật chất. Do sự khác biệt giữa các proton gia tốc so với electron - một chùm electron mất nhiều năng lượng xung quanh cấu trúc vòng tròn hơn chùm proton - chùm tia này sẽ sử dụng đường hầm dài 61 dặm nhưng hoạt động ở mức năng lượng thấp hơn so với proton. Một đề xuất khác sẽ sử dụng cùng máy gia tốc dài 61 dặm để va chạm các chùm proton. Một đề xuất khiêm tốn hơn sẽ sử dụng lại đường hầm LHC hiện tại nhưng với các nam châm mạnh hơn. Tùy chọn đó sẽ chỉ tăng gấp đôi năng lượng va chạm trên mức mà LHC có thể làm bây giờ, nhưng đó là một lựa chọn ít tốn kém hơn. Một đề xuất khác, phần lớn được các nhà nghiên cứu Trung Quốc vô địch, tưởng tượng ra một cơ sở hoàn toàn mới, có lẽ được xây dựng tại Trung Quốc. Máy gia tốc này cũng sẽ vào khoảng 61 dặm xung quanh, và nó sẽ va chạm electron và electron phản vật chất với nhau, trước khi chuyển sang va chạm proton-proton trong khoảng năm 2040.
Hai dự án tiềm năng này vẫn đang trong giai đoạn nói chuyện. Cuối cùng, các nhà khoa học đưa ra các đề xuất này sẽ phải tìm một chính phủ hoặc một nhóm các chính phủ sẵn sàng chấp nhận dự luật. Nhưng trước khi điều đó có thể xảy ra, các nhà khoa học cần xác định các khả năng và công nghệ cần thiết để làm cho các cơ sở mới này có thể. Cả hai nhóm gần đây đã phát hành tài liệu rộng rãi và kỹ lưỡng về thiết kế của họ. Điều đó không đủ để xây dựng các cơ sở đề xuất của họ, nhưng nó đủ tốt để cả hai so sánh hiệu suất dự kiến của các phòng thí nghiệm trong tương lai và bắt đầu đưa ra các dự đoán chi phí đáng tin cậy.
Điều tra biên giới của kiến thức là một nỗ lực khó khăn, và có thể mất nhiều thập kỷ từ những giấc mơ đầu tiên xây dựng một cơ sở có tầm cỡ này, thông qua các hoạt động đến việc đóng cửa cơ sở. Khi chúng tôi đánh dấu kỷ niệm 10 năm của chùm tia đầu tiên trong LHC, đáng để nắm bắt những gì cơ sở đã hoàn thành và những gì tương lai sẽ mang lại. Theo tôi có vẻ như sẽ có dữ liệu thú vị cho thế hệ các nhà khoa học tiếp theo nghiên cứu. Và có lẽ, chỉ có thể, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm một vài bí mật hấp dẫn của thiên nhiên.
Don Lincoln là một nhà nghiên cứu vật lý tại Fermilab. Ông là tác giả của "Máy va chạm Hadron lớn: Câu chuyện phi thường của Higgs Boson và những thứ khác sẽ thổi bay tâm trí của bạn"(Johns Hopkins University Press, 2014), và ông tạo ra một loạt giáo dục khoa học video. Theo dõi anh ấy trên Facebook. Các ý kiến thể hiện trong bình luận này là của mình.
Don Lincoln đã đóng góp bài viết này cho Live Science's Tiếng nói chuyên gia: Op-Ed & Insights.
