Đột phá trong nghiên cứu chế tạo máy gia tốc hạt

Những cỗ máy gia tốc khổng lồ như Large Hadron Collider (LHC) đang đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc giúp chúng ta tìm hiểu về cơ chế hình của vũ trụ từ thuở sơ khai, khám phá thế giới vật chất ở cấp độ hạ nguyên tử, hay tạo ra những đột phá mới trong y học.

Mới đây, nhóm cộng tác AWAKE Collaboration bao gồm hơn 80 kỹ sư và nhà vật lý, đã trình diễn thành công một kỹ thuật mới có thể giúp làm tăng sức mạnh của những cỗ máy gia tốc và biến chúng trở nên dễ tiếp cận hơn đối với giới nghiên cứu. Kết quả này đã được công bố trên Nature vào hôm 29/08.

Hiện nay, hầu hết những cỗ máy như LHC đều hoạt động dựa trên nguyên lý: tạo ra điện – từ trường để tăng tốc các chùm hạt và điều hướng chúng dọc theo chiều dài thân máy. Khi các hạt đang di chuyển ở tốc độ cực lớn, các nhà khoa học có thể tiến hành bắn phá chúng bằng cách cho va chạm với những loại vật chất khác, để từ đó tìm hiểu về cơ chế hoạt động bên trong. Không chỉ đặc biệt hữu ích đối với giới vật lý – những người luôn cố gắng tìm hiểu về thế giới hạ nguyên tử, máy gia tốc cũng có rất nhiều tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như y học hay năng lượng.

Những tiến bộ trong nghiên cứu đang mở đường cho một thế hệ máy gia tốc mới sử dụng kỹ thuật plasma wakefield acceleration (tạm dịch: tăng tốc trong trường plasma), nguyên lý hoạt động như sau: khi một xung laser cường độ cao hoặc chùm electron được bắn đi ở tốc độ ánh sáng, nó sẽ tạo ra sóng trong trường plasma mà các hạt ở cấp hạ nguyên tử có thể bám vào để di chuyển (giống như lướt sóng), giúp khuếch đại tốc độ và mức năng lượng của chúng.

Trong nghiên cứu của nhóm AWAKE Collaboration, các tác giả đã trình bày rất chi tiết về việc sử dụng thành công proton (không phải electron) để tạo thành sóng plasma. Sự thay đổi này giúp đưa các hạt đạt tới mức năng lượng cao hơn mà chỉ cần qua một giai đoạn gia tốc riêng lẻ, trong khi những phương pháp khác thường đòi hỏi phải trải qua nhiều giai đoạn mới mong đạt được mức năng lượng tương tự. Vì vậy, AWAKE tin rằng kỹ thuật mới (dựa trên proton) của họ có thể thiết lập nền móng cho việc chế tạo những cỗ máy gia tốc mạnh mẽ và mang kích thước nhỏ hơn trong tương lai.

Trước đây, để tìm ra hạt Higgs boson, các nhà khoa học phải cần đến sự giúp đỡ của LHC – cỗ máy khổng lồ với chu vi đường hầm vòng tròn lên đến 27 km. Chắc chắn việc xây dựng những cỗ máy gia tốc lớn như vậy là không dễ dàng và cực kỳ tốn kém – LHC cần tới 10 năm và tiêu tốn hơn 5 tỷ USD, hay đơn giản là không thể đầu tư nhiều, tức không phải nhà nghiên cứu nào cũng có điều kiện và cơ hội được làm việc với chúng.

Mặc dù nghiên cứu của AWAKE vẫn đang chỉ ở trong giai đoạn sơ khởi, song có thể khẳng định rằng kỹ thuật tăng tốc hạt dựa trên chùm proton là điều hoàn toàn khả thi. Có lẽ ngay từ bây giờ chúng ta nên bắt đầu lập kế hoạch cho một tương lai khi các cỗ máy gia tốc trở nên mạnh mẽ và sẵn có hơn bây giờ, đồng thời hy vọng sẽ thu được những hiểu biết mới.