Bên trong nhà máy phản vật chất lớn nhất trên thế giới có gì?

Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN), nằm ở biên giới Pháp -Thụy Sĩ, chính là phòng thí nghiệm vật lý hạt lớn nhất trên thế giới hiện nay. Thoạt nhìn, nhà máy phản vật chất của CERN trông có vẻ khiêm tốn khi quan sát từ bên ngoài. Nhiều người có thể nghĩ đó không phải là nơi tạo ra phản vật chất, vật liệu nổ mạnh nhất trong vũ trụ, đồng thời là thứ đắt giá nhất ở trên Trái đất.

Theo các nhà khoa học, phản vật chất được cấu tạo từ những hạt sơ cấp giống với vật chất thông thường, nhưng với điện tích trái dấu.

Sau đó, khi hai hạt này tương tác với nhau, chúng sẽ triệt tiêu nhau và chuyển hóa thành năng lượng. Trên thực tế, chỉ với 1 gram phản vật chất thì cũng có thể tạo ra vụ nổ tương đương với một quả bom hạt nhân.

Theo lý thuyết, vụ nổ Big Bang tạo ra vật chất và phản vật chất với cùng lượng tương đương nhau và điều này lẽ ra khiến hai loạt hạt này triệt tiêu nhau hoàn toàn. Tuy nhiên, chúng ta đãng sống ở trong vũ trụ gần như được cấu tạo hoàn toàn từ vật chất thông thường.

Tại nhà máy phản vật chất của CERN, các nhà vật lý học đã tạo ra phản proton và phản hydrogen nhằm nghiên cứu những đặc điểm của chúng và giúp tìm ra đáp án cho những câu hỏi cơ bản về nguồn gốc của vũ trụ.

Để tạo ra các phản vật chất, các nhà vật lý sẽ bắt đầu với máy Proton Synchrotron.

Cỗ máy này sẽ tăng tốc chùm hạt dọc theo đường vòng dài khoảng 628 m khiến cho chúng va đập vào một khối cấu tạo chủ yếu từ nguyên tố hóa học là iridium. Tiếp theo, chùm proton này sẽ tương tác với iridium và sản sinh ra khoảng 4 hạt phản proton sau lần va chạm thứ một triệu. Tuy nhiên, những hạt phản vật chất này vẫn còn một hành trình dài phải trải qua.

Cụ thể, những hạt phản proton mang theo năng lượng di chuyển hỗn loạn và sau đó tiến vào máy giảm tốc phản proton. Chúng sử dụng các nam châm mạnh (màu xanh) để hạt phản proton bay chậm lại, đồng thời dẫn chúng đi theo đường vòng của máy.

Hạt phản proton sẽ đi qua các nam châm 4 cực (màu đỏ) và bị nén lại. Điều này ngược với khuynh hướng tự đẩy nhau của chúng.

Đặc biệt, với vòng phản proton có năng lượng cực thấp làm giảm tốc độ của hạt phản proton xuống còn khoảng 1,5% vận tốc ánh sáng. Điều này giúp các nhà vật lý có thể giữ lại các hạt phản vật chất.

Ngoài ra, một trong những công đoạn cuối cùng của quá trình sản xuất phản vật chất liên quan tới buồng chân không. Bởi bất kỳ phản vật chất nào cũng sẽ bị triệt tiêu nếu như chúng tiếp xúc với vật chất thông thường. Buồng chân không này sẽ bị nung nóng tới khoảng 250 độ C nhằm loại bỏ khí gas và hơi nước, để tạo ra môi trường chân không gần như hoàn hảo ở giữa buồng.

Trong ảnh là một thiết bị dùng để đo áp suất, theo dõi điều kiện chân không, nhằm ngăn vật chất và phản vật chất tiếp xúc với nhau.

Thế nhưng, ngay cả khi không có sự tiếp xúc giữa vật chất và phản vật chất thì nhưng thí nghiệm này vẫn tạo ra lượng nhỏ đến mức cần tới 10.000 tỷ năm để có thể tạo ra 25 gram phản vật chất. Theo lý thuyết, đây chỉ là mức cần thiết cho một quả bom phản vật chất.

Trong bức ảnh này, ống thu nơ-ron được làm mát tới gần 0 độ C và sử dụng chân không và trường từ để "bẫy" phản hạt của proton và electron, từ đó cấu tạo nên phản hạt của hydro.

Trên thực tế, ống thu nơ-ron trong Nhà máy phản vật chất của CERN, có chứa giấy bạc siêu mỏng, dày khoảng 1,5 micromet, làm nhiệm vụ giảm tốc độ và thu thập các hạt phản proton được truyền đến từ vòng ELENA. Trước khi tiến hành lắp đặt ELENA vào năm 2018 nhằm giúp hạt phản proton di chuyển chậm hơn, CERN chỉ thu được chưa đến 1% hạt phản proton. Tuy nhiên, hiện nay, số lượng hạt phản proton mà tổ chức này thu được là 70%.

Tiếp theo, sau khi ELENA làm giảm tốc độ, các hạt phản proton sẽ chuyển sang các thí nghiệm khác ở trong nhà máy phản vật chất này. Chẳng hạn, thí nghiệm AEgIS có sử dụng "bẫy" sản xuất phản hydro với từ trường mạnh ở mỗi bên để thu giữ phản vật chất. Sau đó, các nhà vật lý sẽ tiến hành quan sát về tác động của trọng lực với chúng.

Đây là một thí nghiệm khác được gọi là ASACUSA để kiểm tra về giả thuyết hạt phản proton có cùng khối lượng với hạt proton thông thường hay không.

Trong khu vực thí nghiệm ALPHA, nam châm siêu dẫn chứa đầy heli lỏng để giúp "bẫy" các phản hạt. Trước đó, vào năm 2011, thí nghiệm ALPHA ở CERN đã lưu trữ thành công 309 nguyên tử phản hydro, với một số nguyên tử bị lưu lại trong gần 17 phút.

Một người đang kiểm tra dụng cụ trong nhà máy của CERN.

Thế nhưng, thực tế phải thừa nhận là phản vật chất vẫn là vật liệu cực kỳ đắt đỏ và việc sản xuất kém hiệu quả.

Theo các chuyên gia, chi phí để sản xuất ra một gram phản vật chất ước tính sẽ tiêu tốn 62,5 nghìn tỷ USD. Đây cũng là nguyên nhân CERN chỉ sản xuất được số lượng phản vật chất rất hạn chế. Cụ thể, kể từ khi bắt đầu tạo ra phản vật chất vào năm 1995, nhà máy của tổ chức này chỉ tạo ra được chưa đến 10 nanogram phản vật chất. Dù đã sản xuất được một lượng rất nhỏ nhưng các nhà nghiên cứu vẫn "đau đầu" tìm kiếm cách lưu trữ phản vật chất.

Cập nhật: 01/06/2023 PNVN