Máy gia tốc hạt để bàn của Berkeley Lab lập kỷ lục mới

Các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley thuộc cục năng lượng Hoa Kỳ đã vừa công bố rằng họ đã tìm ra giải pháp tăng tốc cho các hạt hạ nguyên tử lên mức năng lượng được cho là cao nhất từ trước đến nay đối với một chiếc máy gia tốc cỡ nhỏ. Bằng cách dùng laser bắn phá plasma nóng trong máy gia tốc hạt laser-plasma để bàn, các nhà khoa học đã tạo ra năng lượng gia tốc đến 4,25 giga-electron volt (GeV).

Thử lấy ví dụ là máy gia tốc hạt Large Hardon Collider (LHC) tại CERN, nó có chu vi 27km và gia tốc hạt bằng các trường điện từ điều biến tuần tự trong một khoang bằng kim loại. Điều kiện này cho phép gia tốc lên mức năng lượng khoảng 100 MeV/m trước khi vượt ngưỡng an toàn và khoang kim loại có thể bị phá hủy. So sánh với chiếc máy gia tốc để bàn của phòng thí nghiệm Berkeley, nó đã lập kỷ lục thế giới khi gia tốc các electron bên trong một ống chứa plasma chỉ dài 9cm lên đến vận tốc mà một chiếc máy gia tốc hạt thông thường sẽ phải cần đến một khoảng cách rất nhiều dặm để có thể đạt được vận tốc tương đương.

Tuy nhiên, để cho công bằng thì chúng ta cần phải hiểu rằng, các máy gia tốc laser-plasma sử dụng một phương pháp gia tốc khác biệt so với các máy gia tốc truyền thống để đạt được mức năng lượng cực lớn. Trong trường hợp này, thí nghiệm đã được thực hiện với sự hỗ trợ của một trong những tia laser mạnh nhất thế giới có tên BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator). Hệ thống laser này tạo ra một chùm sáng tương đương 1 nghìn triệu triệu (10^15) Watt (1 Petawatt) và được các nhà nghiên cứu tại Berkeley sử dụng tập trung trong các ống dẫn rất nhỏ chứa plasma của máy gia tốc hạt. Mặc dù vậy, trong thí nghiệm ban đầu này, chùm tia laser được giới hạn ở công suất 300.000 Gigawatt.

Mô hình máy tính của vùng gia tốc wakefield của plasma dọc theo chiều dài kênh (cự ly 9cm).​

Những hệ thống laser hiện đang được dùng cho các máy gia tốc hạt laser-plasma khác, điển hình như hệ thống SLAC của đại học Stanford chỉ có thể tạo ra một phần nhỏ công suất so với BELLA (khoảng 1 Terawatt) để tạo ra năng lượng gia tốc 300 MeV. Qua đó có thể thấy mức năng lượng cực lớn mà hệ thống mới của Berkeley Lab có thể tạo ra khi sử dụng ở một phần tiềm năng của hệ thống.

Tiến sĩ Wim Leemans - giám đốc bộ phận vật lý ứng dụng và công nghệ gia tốc tại Berkeley cho biết: "Kết quả này đòi hỏi khả năng kiểm soát tinh tế chùm laser và plasma, đây là điều mà chúng tôi đã làm được khi buộc chùm laser này chiếu vào một lỗ nhỏ có đường kính chỉ 500 micron nằm cách đó 14m. Hệ thống laser BELLA cho ra chùm tia có hiệu năng đủ cao và ổn định để chúng tôi có thể sử dụng cho thí nghiệm".

Khi được kích hoạt, năng lượng laser từ BELLA bắn vào một kênh thông qua plasma đồng thời tạo ra nhiều đợt sóng năng lượng lăn bắt giữ và gia tốc các electron tự do trong môi trường plasma lên trạng thái năng lượng cao hơn. Các nhà nghiên cứu đã so sánh quy trình này giống như khi một người lướt sóng dùng ván lấy tốc độ từ đỉnh con sóng và lướt xuống mặt biển.

Mặc dù vậy, từ khía cạnh electron thì dĩ nhiên chúng không có chiếc "ván" nào cả, sóng (ở đây là sóng năng lượng) va đập ở tốc độ hàng triệu dặm/h và chiều cao của con sóng đối với electron chính là bức tưởng plasma. Tỉ lệ với kích cỡ của electron thì bức tường này cao đến hàng ngàn feet.

Khi thực hiện thí nghiệm năng lượng cao, các nhà nghiên cứu cũng xác định rằng tỉ lệ thành công sẽ rất thấp và chỉ với một tính toán sai lệch nhỏ, kết quả có thể là một thảm họa. Họ đã tìm kiếm các phương pháp để mô hình hóa nhiều tham số và kiểm tra các giả thuyết để sẵn sàng cho những tác động có thể xảy ra khi thí nghiệm trên thực tế. Và cuối cùng thì nhóm nghiên cứu đã nhờ đến sự trợ giúp của trung tâm tính toán khoa học nghiên cứu năng lượng quốc gia (NERSC) để thực hiện công tác mô phỏng trên máy tính trước khi tiến hành thí nghiệm thực.

"Những thay đổi nhỏ nhất trong khâu thiết lập cũng có thể tạo nên sự xáo trộn. Chúng tôi đang hướng đến nhiều điều kiện hoạt động và các phương pháp tốt nhất để kiểm soát máy gia tốc", Eric Esarey - cố vấn khoa học cho phòng thí nghiệm Berkeley Lab, lãnh đạo nhóm phát triển giả thuyết cho biết.

Tiến sĩ Leemans tin rằng công việc trong tương lai của nhóm nghiên cứu sẽ yêu cầu khởi tạo và phê chuẩn một kỹ thuật mới để định hình và kiểm soát kênh plasma. Cụ thể hơn, mục tiêu của nhóm nghiên cứu là tạo ra một năng lượng gia tốc tương đương 10 GeV, hơn gấp đôi so với cột mốc hiện tại. Để gia tốc electron lên mức năng lượng cực lớn như vậy, các nhà nghiên cứu sẽ cần phải đảm bảo khả năng kiểm soát chính xác hơn mật độ plasma chứa trong ống, nơi chùm laser sẽ đi qua.

Kết quả về nghiên cứu trên đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Tham khảo: Berkeley Lab​.