Được chôn sâu trong một Mỏ Vàng, một Máy Tăng Tốc Hạt Nhân Tìm Kiếm Bí Mật Về Ngôi Sao

Vào tháng 8 năm 2015, các nhà khoa học từ Đại học Notre Dame đã đi về phía tây, những mảnh ghép của một máy tăng tốc hạt nhân được đảm bảo trong phía sau xe U-haul của họ. Hơn 1.000 dặm sau đó và gần một dặm sâu xuống, họ bắt đầu lắp đặt máy vào một ngôi nhà mới: sâu trong một mỏ cũ tại thị trấn Lead, South Dakota.

Các thợ mỏ đầu tiên khai thác mỏ vàng Homestake vào những năm 1880. Nhưng vào năm 2006, công ty khai thác đá đã quyên góp công trình công nghiệp này cho Sở Quản lý Khoa học và Công nghệ South Dakota, và các nhà nghiên cứu đã tái chế các lớp bảo vệ đá để tìm kiếm các vấn đề như vật chất tối và neutrinos. Ngày nay, Trung Tâm Nghiên cứu Dưới Đất Sanford vẫn nổi bật trên thị trấn cũ của miền Tây như trong thời kỳ đổ vàng, cáp vặn ra từ tòa nhà cao nhất của nó và vào một trục thẳng xuống 8.000 feet. Và ở đó, các nhà khoa học từ Đại học Notre Dame đã dự định lắp đặt máy tăng tốc của họ—được gọi là Caspar, Hệ thống Máy Tăng Tốc Kích Thước Nhỏ để Thực Hiện Nghiên Cứu Vũ Trụ.

Nó cũng là một di tích tái chế. Kể từ năm 1958, các nhà vật lý đã sử dụng lõi của Caspar dưới một hình thức nào đó: để cung cấp nhiên liệu cho các máy tăng tốc lớn hơn, để có thông tin về phương pháp định tuổi cacbon học, để tìm hiểu về cách nguyên tử phát triển to lớn hơn. Trong hình thức gần đây nhất của nó, sẽ bắt đầu thu thập dữ liệu vào mùa thu này, Caspar sẽ mô phỏng quá trình hợp nhất trong ngôi sao để tìm hiểu cách họ tạo ra các nguyên tố nặng—như những gì mà con người đã khai thác ra từ mỏ Homestake, và tạo nên các hệ thống mặt trời.

Các kích phóng hạt nhân thường là đối tượng của Big Science—những dự án tốn kém như CERN và Trình tăng tốc hạt tuyến tính Stanford. Cả trăm người tham gia một đội ngũ khoa học; ngân sách lên đến hàng tỷ. Nhưng cái kích phóng nhỏ bé này và nhóm của nó từ trường Đại học Notre Dame và Trường Công nghệ và Kỹ thuật Mỏ và Công nghệ Nam Dakota, điều tra vũ trụ ở một quy mô khác. Nó dẫn dắt nghiên cứu hàng đầu về bên trong các ngôi sao đầy va chạm và hỗn loạn trong khi nén trong một căn phòng bình thường trong bụng núi.

Máy kích phóng Caspar, một loại vũ khí năng lượng cao, bắt đầu gần 60 năm trước như một loại kích phóng trợ giúp. Nó tăng tốc một luồng nguyên tử helium hướng đến một kích phóng khác, sẽ tăng tốc chúng hơn nữa. Nhưng vào những năm 60, các nhà nghiên cứu không còn cần sự đẩy đưa đó. Vì vậy, như Michael Wiescher, người viết về Caspar, một người viết tiểu sử khoa học của dụng cụ, kích phóng “ngồi không được yêu thương và không được sử dụng gần nguồn ion.” Kích phóng đã chuyển tới Đại học Toronto, nơi nó giúp mọi người có được thông tin họ cần cho phương pháp định tuổi cacbon. Nhưng sau đó, người chăm sóc của nó chuyển sang các kích phóng mới hơn, sáng bóng hơn, và một lần nữa, máy “trở nên không cần thiết,” viết Wiescher.

Cho đến khi Wiescher tự sửa lại nó, chuyển đến Đại học Notre Dame ở Indiana và hồi sinh nó bằng phần mềm.

Ở đó, ông đã sử dụng Caspar để nghiên cứu một loại phản ứng xảy ra bên trong các ngôi sao, trong đó proton va chạm vào các hạt alpha—hai neutron gắn với hai proton—và ở lại đó, tạo ra những đối tượng khối lượng lớn hơn. Và không lâu sau, Wiescher nhận ra cách nâng cao trò chơi thiên văn học của nhóm: Đặt kích phóng của họ dưới lòng đất. Hàng ngàn feet xuống, đá chặn bức xạ vũ trụ có thể làm ngập lụt tín hiệu nhỏ từ kích phóng.

Và vào năm 2015, từng mảnh, từng bơm hút, từng nam châm, từng ống, các nhà khoa học đưa trang thiết bị kích phóng vào cái thang máy cũ kỹ vẫn di chuyển lên xuống trong cống mỏ, được lót ván. Mất hơn 10 phút thông thường để xuống, thang máy chậm lại để bảo vệ dây đai và bánh răng cổ điển, mong manh của Caspar khi đi từ tầng trệt xuống “4850 Level”—4.850 feet dưới lòng đất, nơi sàn bằng đất được trang bị với những đường ray kim loại và một làn gió nhẹ thổi.

Họ chuyển thiết bị của họ vào phòng (với sàn nhà hiện đại hơn) nơi họ sẽ làm việc và, sớm thôi, bắt đầu va đập hạt vào hạt. Cụ thể, nhóm Caspar muốn tìm hiểu cách các ngôi sao có độ tuổi hơn một chút so với mặt trời tổng hợp các nguyên tố nặng. Ở đầu kích phóng, Caspar tắm khí hydro hoặc helium trong năng lượng tần số radio, làm cho khí sản xuất ra một luồng proton. Luồng này bắn vào ống tăng tốc hút chân không và chảy về mục tiêu ở cuối ống. Các hạt với lượng năng lượng phù hợp va chạm vào mục tiêu—thường là khí neon phát ra những neutron giống nhau, làm tăng kích thước các nguyên tố nhỏ thành lớn hơn trong lõi sao.

Kể từ đó, nhóm đã tái lắp, đưa vào hoạt động và hiệu chuẩn. Nhưng vào mùa thu này, Caspar sẽ cuối cùng bắt đầu công việc thực sự của nó. Vào tháng 6, Wiescher cùng vài đồng nghiệp và sinh viên từ Notre Dame và Trường Công nghệ và Kỹ thuật Địa chất Nam Dakota tập trung tại SURF và trò chuyện cùng nhau với những ly bia ở thị trấn gần đó Deadwood, nổi tiếng với những người nổi tiếng như Calamity Jane và Wild Bill Hickock. Họ thảo luận về mục tiêu cao bồi của kích phóng: hiểu cách các ngôi sao kết hợp nguyên tử và các phần tử nguyên tử để tạo ra các nguyên tố lớn hơn, từ đó hình thành hành tinh, con người và vàng.

Sáng hôm sau, trong mũ bảo hộ và kính bảo hộ, họ tụ họp xung quanh màn hình máy tính và các kệ điện tử trong phòng điều khiển. Đằng sau cánh cửa đóng kín, Caspar đặt chặt trên bàn thí nghiệm, các ống kim loại dẫn luồng hạt vật lý trước tiên thẳng, sau đó quanh một góc 25 độ hướng đến mục tiêu. Khi các hạt va chạm với mục tiêu, các phản ứng kế tiếp mô phỏng những phản ứng của ngôi sao. Các hạt bị va chạm bên trong Caspar có thể chỉ đạt tới một triệu volt—so với 7 nghìn tỷ của LHC—nhưng đó chính là điểm. Một số bí ẩn của vũ trụ nằm trong tầm ngắm của một kích phóng có năng lượng thấp, chi phí thấp và nhỏ bé.

Nhưng nhóm vẫn chưa đạt được điều đó. “Hiện tại, chúng tôi đang thật sự làm điều không liên quan, vì chúng tôi cần phải học,” Wiescher nói. Họ sẽ bắt đầu, thực sự, vào mùa thu. Ông chỉ vào một tấm bảng gỗ giữa một số điều khiển, khi các sinh viên tiếp tục gõ và nhìn đi xa. Bảng này dành để va chạm, nhà thiên văn học Dan Robertson nhận xét, vào gỗ. Bạn biết. Và mặc dù họ có khả năng tin vào sự hài hước hơn là sự mê tín, một thành viên trong nhóm vẫn cúi xuống và đập đầu ngón tay vào đó.