Tham quan cỗ máy lớn nhất lịch sử nhân loại

Tìm hiểu các bộ phân tích, hệ thống máy tính... trải rộng trong một chu vi 27 km thuộc dự án Máy gia tốc hạt khổng lồ LHC, nguời xem sẽ hiểu thêm về hoạt động của cỗ máy đắt tiền nhất hành tinh mà con người tạo ra.

• LHC tìm thấy loại hạt huyền thoại
  
• LHC phá kỷ lục thế giới về mức tạo năng lượng

Tìm hiểu về cỗ máy lớn nhất lịch sử nhân loại

Quan sát từ vũ trụ, các nhà khoa học nhận thấy những vật chất thông thường như giải thiên hà, ngôi sao và hành tinh chỉ chiếm có 4% vũ trụ. Phần còn lại là vật chất đen (23%) và năng lượng đen (73%). Các nhà vật lý tin rằng, Dự án Máy gia tốc hạt khổng lồ (Large Hadron Collider - LHC) có thể hé mở cánh cửa vào những khoảng trống về nhận thức này.

Mục đích chính để xây dựng nó là phá vỡ những giới hạn và lý thuyết cơ bản hiện thời của vật lý hạt. Người đứng đầu CERN, nhà vật lý Pháp Robert Aymar cho biết: "Các phát hiện từ dự án trị giá 6,4 tỷ Euro (9,2 tỷ USD), quy tụ những nhà nghiên cứu từ 50 nước sẽ đem lại những tiến bộ khoa học lớn chưa từng có".

Cỗ máy LHC bắt đầu chạy thử từ năm 2008, nhưng bị hỏng sau vài ngày vì rò rỉ khí heli. Sau khi sự cố được khắc phục, nó vận hành trở lại. Nhưng trong mấy ngày đầu tháng 11/2009, cỗ máy lại hỏng do nhiệt độ trong nhiều bộ phận tăng đột ngột. Đến nay, công việc sửa chữa hoàn tất. Hạt proton đầu tiên đã đi hết một vòng đường hầm dài 27km này.

Cấu tạo cỗ máy LHC

Cỗ máy khổng lồ LHC chứa hơn 1.000 nam châm khổng lồ để dẫn hướng hạt proton trong đường ống của cỗ máy, với tốc độ 11.000 vòng/giây, gần bằng tốc độ ánh sáng.

Khu vực biên giới Thụy Sĩ và Pháp với ba vòng tròn. Vòng nhỏ nhất (ở dưới bên phải) là Synchrotron Proton, vòng giữa là Super Proton Synchrotron (SPS) với chu vi 7 km và vòng lớn nhất LEP, với một phần của hồ Geneva có chu vi 27 km. LHC có thể gia tốc hạt đạt năng lượng 14 TeV (14.000 tỷ electron volt).

Sơ đồ vị trí đặt các bộ Phân tích trong Đường hầm dài 27km. Hiện LHC hoạt động ở mức năng lượng 3,5 TeV. Đó mới chỉ là nửa mức công suất thiết kế nhưng đã cao hơn ba lần rưỡi máy gia tốc hạt lớn thứ hai thế giới là Tevatron của Mỹ.

Hệ thống nam châm của máy được làm nguội bằng helium lỏng. Chiếc máy được ở độ sâu 100 m dưới mặt đất tại khu vực biên giới Pháp - Thụy Sĩ. Đường hầm có đường kính 3,8 m, có cấu trúc bê tông và được xây dựng từ năm 1983 đến 1988.

Sáu bộ phân tích (detector) đã được xây dựng trong hệ thống của LHC, nằm trong những hang lớn bên dưới mặt đất được đào tại các điểm giao của LHC. Hai bộ trong số đó là ATLAS (máy dò vật chất đen) và Compact Muon Solenoid (CMS) (máy dò hạt Higgs, "hạt của Chúa") là những bộ phân tích hạt đa mục đích có kích thước lớn. Hai bộ A Large Ion Collider Experiment (ALICE) và LHCb có các chức năng riêng biệt hơn có nhiệm vụ tìm hiểu khoảnh khắc sau các "bản sao" vụ Big Bang và dò tìm các phần tử phản vật chất. Hai bộ còn lại nhỏ hơn nhiều là TOTEM và LHCf, dành cho các nghiên cứu chuyên môn đặc biệt khác.

Dưới đây là hình ảnh về các bộ phân tích: 

ATLAS – một trong hai bộ phân tích đa mục đích, sẽ được sử dụng để tìm kiếm những dấu hiệu vật lý học mới, bao gồm nguồn gốc của khối lượng và các chiều phụ trợ. Các máy dò ATLAS có chứa một loạt dày đặc các trụ đồng tâm, nơi có sự tương tác của chùm proton va chạm.

Giống với ATLAS, Compact Muon Solenoid (CMS) sẽ lùng sục các hạt Higgs và tìm kiếm những manh mối về bản chất của vật chất tối. Trong hình là phía bên trong "trái Tim" của máy CMS.

ALICE sẽ nghiên cứu một dạng "lỏng" của vật chất gọi là quark-gluon plasma, dạng tồn tại rất ngắn sau Vụ nổ lớn.

LHCb – so sánh những lượng vật chất và phản vật chất được tạo ra trong Vụ nổ lớn. LHCb sẽ cố gắng tìm hiểu chuyện gì đã xảy ra đối với phản vật chất "bị thất lạc". LHCb rất lớn, 6X7 mét vuông bao gồm 3.300 khối chứa scintillator, sợi quang học và chì. Nó sẽ đo năng lượng của các hạt được sản xuất trong va chạm proton-proton.

TOTEM – đo kích thước của proton và LHC's luminosity (tạm dịch: độ sáng máy gia tốc hạt lớn). Trong vật lý lượng tử, độ sáng ảnh hưởng đến độ chính xác của máy gia tốc hạt lớn trong việc tạo xung đột.

LHCf – nghiên cứu tia vũ trụ xuất hiện tự nhiên.

Hệ thống máy tính

Hệ thống tính toán phục vụ dự án LHC cũng là mạng lưới máy tính lớn nhất thế giới. Những vụ va đập của các photon lưu vào máy tính với dung lượng 15 terabyte dữ liệu mỗi năm. Phần lớn dữ liệu sẽ được lưu trong các cơ sở dữ liệu của Oracle và một số hệ thống lưu trữ thương mại.

Vai trò của mạng máy tính mà CERN thiết lập là tập hợp sức mạnh tính toán và lưu trữ rộng lớn để cung cấp cho các nhà khoa học khả năng truy xuất dữ liệu và công cụ tính toán khi cần. Những địa chỉ nằm trong lưới này còn có các trường đại học và trung tâm nghiên cứu từ Nhật Bản cho đến Canada, cộng với hai phòng thí nghiệm của HP.

 
Hệ thống Supermicro Server tại Trung tâm tính toán của Dự án LHC.

Tất cả hệ thống tính toán đóng góp sức mạnh với tổng số hơn 10.000 bộ vi xử lý và hàng trăm triệu gigabyte băng từ và đĩa lưu trữ. Thông tin về sự va chạm các chùm hạt trong máy gia tốc được gửi đến tất cả các trung tâm nghiên cứu tại Châu Âu, Châu Á và Mỹ để lưu giữ và xử lý dữ liệu.

Nhiều bí ẩn của vật lý và vũ trụ là mục tiêu của thí nghiệm. Tác động của thí nghiệm LHC sẽ lớn hơn cả việc lên mặt trăng lần đầu tiên. Thật khó đoán hết lợi ích thực tế của dự án này. 

Nhiệm vụ nặng nề của cỗ máy hàng tỷ USD

Các chuyên gia thuộc Cơ quan điều hành LHC là Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Âu châu (CERN) ước tính chi phí sửa chữa và các chi phí an toàn khác liên quan tới LHC vào khoảng 37 triệu USD. Số tiền này lấy từ ngân sách của 20 quốc gia có liên quan. Hiện, chưa có quốc gia nào thuộc thành viên của CERN bày tỏ thái độ phản đối dự án LHC.

Đây là phần bên trong lõi của máy LHC. Hơn 15 nước cung cấp kinh phí cho dự án chế tạo máy gia tốc hạt lớn. Hơn 8.000 nhà khoa học cùng hàng trăm trường đại học và phòng thí nghiệm đã tham gia thiết kế cỗ máy

Với máy gia tốc hạt siêu mạnh LHC, các nhà khoa học có thể nghiên cứu các hạt ở kích cỡ 1/10 tỷ tỷ mét, đo đạc được các khoảng thời gian 1/10 triệu tỷ tỷ giây. "Chúng ta sẽ biết vũ trụ có gì ở 1/1.000.000 của 1 giây ngay sau Big Bang và đó là điều thật kỳ diệu'', nhà vật lý Robert Aymar nói.

Việc kiểm tra được thực hiện trên đoạn nam châm trong đường hầm LHC. Điều quan trọng là mỗi nam châm phải được đặt thật đúng vị trí nó đã được thiết kế để đường đi của chùm hạt được kiểm soát một cách chính xác.

Mục tiêu của thí nghiệm còn là để tìm “hạt Higgs”, một loại hạt cơ bản thuộc nhóm hạt hạ nguyên tử (nhỏ hơn nguyên tử), chính là loại hạt tạo ra khối lượng cho vật chất và tạo nên vũ trụ. Tên loại hạt được đặt theo tên nhà vật lý Scotland, Peter Higgs, người đã tính toán sự tồn tại của loại hạt này. Trong khi mọi người gọi là hạt Higgs thì Peter Higgs gọi là hạt của Chúa (God particle).

Ngoài ra, còn nhiều bí ẩn của vật lý và vũ trụ, trong đó có siêu đối xứng, vật chất đen, năng lượng đen... , những bí ẩn chưa có lời giải đáp ẩn chứa trong các chiều không gian mà LHC có nhiệm vụ khám phá, (phần lớn hạt cơ bản không thấy được đều để lại dấu vết sau va chạm nhưng một số hạt không bị phát hiện vì có thể chúng di chuyển theo những… chiều dư của không gian, cũng như tạo ra vật chất tối vô hình).