Máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới chuẩn bị tạm ngừng vận hành

Dẫu thời gian ngừng hoạt động có thể kéo dài, nhưng giai đoạn này của cỗ máy LHC vẫn chưa mang tính vĩnh viễn.

Large Hadron Collider (LHC), cỗ máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới, sắp bước vào thời kỳ ngừng hoạt động – không phải mãi mãi, song dự kiến sẽ kéo dài trong một quãng thời gian đáng kể. Quyết định này được xem là một cột mốc quan trọng trong lịch sử của thiết bị khoa học danh tiếng bậc nhất hành tinh, đồng thời gợi mở nhiều câu hỏi về hướng đi tương lai của vật lý hạt cơ bản.

LHC là một đường hầm hình vòng tròn dài 27 km nằm sâu dưới lòng đất, trải dọc theo biên giới Pháp–Thụy Sĩ. Cỗ máy được xây dựng nhằm mô phỏng những điều kiện khắc nghiệt của vũ trụ chỉ vài phần triệu giây sau vụ nổ Big Bang. Nó vận hành bằng cách gia tốc các proton – hạt nhân của nguyên tử hydrogen – lên gần vận tốc ánh sáng, rồi cho chúng va chạm tại bốn điểm khác nhau dọc theo vòng tròn.

Năng lượng sinh ra từ các vụ va chạm này tạo nên một “cơn mưa” các hạt mới, được ghi nhận bởi những detector có độ nhạy cực cao. Dựa trên phương trình nổi tiếng E=mc² của Einstein, mức năng lượng càng lớn thì khả năng hình thành các hạt có khối lượng càng cao càng rõ rệt, giúp giới khoa học tiếp cận sâu hơn vào việc nghiên cứu các hạt cơ bản cấu thành vũ trụ.

Dấu ấn lớn nhất của LHC được ghi nhận vào năm 2012, khi các nhà khoa học lần đầu tiên xác nhận sự tồn tại của hạt Higgs boson – một hạt cơ bản sở hữu các tính chất lượng tử vô cùng phức tạp, đóng vai trò then chốt trong việc tạo ra khối lượng cho mọi hạt khác trong vũ trụ. Khám phá này đã củng cố vững chắc Mô hình Chuẩn của vật lý hạt và mở ra những hiểu biết mới về cấu trúc nền tảng của vật chất.

Bắt đầu từ tháng 6 năm nay, các kỹ sư sẽ cho LHC ngừng vận hành để triển khai một đợt nâng cấp quy mô lớn, nhằm chuyển đổi nó thành High-Luminosity LHC. Dự án đầy tham vọng này dự kiến kéo dài khoảng 5 năm, trong khi CERN – tổ chức liên chính phủ chịu trách nhiệm vận hành máy gia tốc – không kỳ vọng thiết bị sẽ trở lại hoạt động trước giữa năm 2030.

Khoảng thời gian tạm dừng này được xem là rất dài đối với một công cụ khoa học mang tính then chốt như LHC, song việc nâng cấp được đánh giá là cần thiết để tiếp tục mở rộng giới hạn của vật lý hạt.

Trọng tâm của quá trình nâng cấp là lắp đặt các nam châm siêu dẫn thế hệ mới nhằm nén chặt các chùm proton và làm chúng trở nên “sáng” hơn, qua đó tăng số lượng va chạm hạt lên gấp 10 lần so với hiện nay. Các đầu dò cũng sẽ được cải tiến mạnh mẽ, giúp nâng cao khả năng phát hiện những dấu hiệu tinh vi của vật lý mới mà các va chạm có thể hé lộ. Mục tiêu cuối cùng là tạo ra khối dữ liệu phong phú hơn và có chất lượng vượt trội cho các thí nghiệm, mở ra cơ hội khám phá những hiện tượng mà phiên bản LHC hiện tại có thể chưa chạm tới.

Dù cỗ máy tạm thời dừng hoạt động, các nhà vật lý sẽ không rơi vào cảnh nhàn rỗi. LHC hiện vẫn vận hành rất hiệu quả và mỗi ngày thu thập một lượng dữ liệu khổng lồ. Kho dữ liệu này đủ để giới khoa học phân tích trong suốt 5 năm tới, với các kết quả vật lý mới được kỳ vọng sẽ tiếp tục xuất hiện đều đặn.

Những dữ liệu va chạm đã được lưu trữ có thể ẩn chứa các manh mối về những hiện tượng chưa từng được phát hiện, đòi hỏi nhiều năm nghiên cứu tỉ mỉ để từng bước làm sáng tỏ.

Khi quá trình nâng cấp hoàn tất, High-Luminosity LHC sẽ có khả năng thực hiện các phép đo với độ chính xác vượt trội về các hạt và các tương tác của chúng. Điều này có thể giúp phát hiện những điểm bất toàn trong các lý thuyết vật lý hiện nay, từ đó đặt nền móng cho sự ra đời của những lý thuyết mới trong tương lai.

Một trong những câu hỏi lớn vẫn chưa có lời giải xoay quanh chính hạt Higgs boson mà LHC đã phát hiện. Dù giới khoa học biết rằng các hạt cơ bản nhận khối lượng thông qua Higgs, nhưng vì sao khối lượng của chúng lại chênh lệch lớn đến vậy vẫn là bí ẩn chưa thể lý giải.

Thậm chí, cách các hạt Higgs boson tương tác với nhau cũng chưa được hiểu rõ. Không loại trừ khả năng phiên bản LHC sau nâng cấp sẽ phát hiện ra “điều gì đó hoàn toàn bất ngờ”, vượt ngoài mọi dự đoán trước đó.

Xa hơn nữa, tương lai dài hạn của LHC cũng đang trở thành chủ đề thảo luận sôi nổi. Cỗ máy này được dự đoán sẽ kết thúc vòng đời vào khoảng năm 2041, và giới khoa học đã bắt đầu phác thảo kế hoạch cho người kế nhiệm. Ứng viên nổi bật nhất hiện nay là Future Circular Collider (FCC), một máy gia tốc khổng lồ với đường kính đề xuất lên tới 91 km – lớn hơn LHC hơn ba lần.

Đường hầm mới của FCC sẽ phải được đào sâu tới 400 mét dưới lòng đất, hình thành một công trình kỹ thuật đầy tham vọng chưa từng có tiền lệ. Chỉ riêng giai đoạn đầu tiên, chi phí ước tính đã đạt khoảng 15 tỷ franc Thụy Sĩ, tương đương gần 19 tỷ USD.

Tuy vậy, số phận của FCC vẫn còn nhiều bất định. Mức đầu tư khổng lồ này vượt quá khả năng ngân sách của CERN và đòi hỏi sự chung tay của nhiều quốc gia khác. Các nước thành viên dự kiến sẽ bỏ phiếu về dự án vào năm 2028, nhưng quyết định hứa hẹn không hề dễ dàng. Hiện nay, một cuộc tranh luận gay gắt đang diễn ra xoay quanh câu hỏi liệu những máy gia tốc hạt khổng lồ có còn là con đường tối ưu để khám phá các vấn đề nền tảng lớn nhất của khoa học hay không.