Vật lý châu Âu tiết lộ kế hoạch xây dựng máy gia tốc mới

Các nhà vật lý hạt châu Âu mới thông báo thiết kế về mặt khái niệm cho một máy gia tốc kế tục Máy gia tốc hạt lớn (LHC), cỗ máy được chứa trong đường hầm dạng vòng tròn có chu vi 27 km.

Máy gia tốc hạt mới có thể đặt trong đường hầm vòng tròn 100km (đỏ) gần LHC của CERN (xanh lam). Nguồn: CERN.

Thông báo của họ kêu gọi xây dựng một máy gia tốc hạt lớn hơn, có thể nằm trong một đường hầm có chu vi 100 km để nghiên cứu chi tiết hơn về hạt Higg boson, loại hạt mới kỳ lạ mà chỗ máy LHC từng khám phá vào năm 2012. Cỗ máy mới, Máy va chạm vòng tròn tương lai (FCC), có thể cần tới 9 tỷ euro kinh phí đầu tư và dự kiến bắt đầu được vận hành vào năm 2040, sau khi LHC được lập kế hoạch dừng vận hành, theo một thông báo của Trung tâm hạt nhân châu Âu (CERN) - phòng vật lý hạt châu Âu gần Geneva, Thụy Sỹ.

LHC làm gia tốc các hạt proton va đập với các hạt proton để tạo ra các va chạm đạt mức năng lượng cao nhất. Tương phản với LHC, cỗ máy FCC đang được đề xuất có thể gia tốc các eletron va chạm với các bản sao phản vật chất của chúng, các hạt positron tại mức năng lượng 35 lần thấp hơn so với LHC (nhưng cao hơn với bất kỳ máy gia tốc electron-positron nào trước đó). Các va đập electron-positron có thể vẫn sẽ đạt được năng lượng đủ để tạo ra Higgs bosons nhưng chúng có thể “sạch” hơn để các nhà nghiên cứu có thể dễ phân tích hơn là các va chạm ở LHC. Đó là bởi vì các proton là những vật thể hỗn độn được tạo ra từ các hạt khác là quarks và gluons. Một cách tương phản, như các nhà vật lý đều biết, các electron và positron là những hạt cơ bản bất khả phân.

Máy gia tốc electron-positron này có thể giúp khám phá những điều bí ẩn của vật lý vượt cả Mô hình chuẩn phổ biến của các nhà khoa học bằng việc kiếm tìm độ sai lệch giữa sự phân rã của Higgs và các dự đoán của Mô hình chuẩn. FCC có thể được coi như một nấc thang để máy gia tốc proton trong tương lai khác có thể đạt được mức năng lực cao gấp 7 lần so với LHC để có thể tìm ra sự tồn tại của những hạt mới, vốn chỉ được dự đoán là tồn tại bên cạnh electron-positron. Cỗ máy này có thể ở mức giá 15 tỷ euro và có thể đặt vừa đường hầm của FCC vào giữa những năm 2050 hoặc chậm hơn. FCC có thể giúp tạo ra cỗ máy cơ bản phù hợp với đường hầm trị giá 5 triệu euro.

CERN đã thành công với những tầm nhìn về đường hầm trước đây. Họ đã xây dựng máy gia tốc Electron-Positron lớn (LEP), được vận hành từ năm 1989 đến 2001, để nghiên cứu chi tiết về các hạt mô hình chuẩn W và Z bosons. Sau đó, CERN đã dừng vận hành LEP và xây dựng LHC trong cùng đường hầm.

Dẫu sao, các nhà châu Âu sẽ phải cạnh tranh. Các nhà vật lý Trung Quốc có kế hoạch xây dựng một Máy va chạm positron điện tử vòng tròn (CEPC) trong đường hầm có đường kính 100 km, có lẽ vào năm 2030, và theo sau nó là một máy gia tốc proton nữa. Trong khi đó, các nhà vật lý Nhật Bản hi vọng xây một máy gia tốc tuyến tính. Những chiếc máy này có thể cho các electron và positrons va đập để sinh hạt Higgs bosons. Các nhà nghiên cứu tại CERN đã có kế hoạch xây dựng một máy gia tốc tuyến tính hoạt động theo một kỹ thuật gia tốc nhiều nét mới hơn.