Trung Quốc: Thống soái trong ngành vật lý hạt

Mô hình máy gia tốc khổng lồ ILC (International Linear Collider - Máy gia tốc tuyến tính quốc tế) của Tổ chức Nghiên cứu hạt nhân châu Âu CERN. Máy ILC sẽ phụ thuộc rất nhiều vào kết quả nghiên cứu vật lý hạt hiện thời của Trung Quốc

Chính lòng say mê của Mao Trạch Đông về vật lý hạt (particle physics) đã để lại cho các thế hệ sau cả một gia tài. Liên tục từ năm 1989, trong một khu nhà chiếm cả dãy phố của thành phố Bắc Kinh, các nhà vật lý Trung Quốc đã âm thầm thí nghiệm bắn các hạt electron và hạt pozitron với tốc độ gần bằng tốc độ của ánh sáng, trong lòng một đường ngầm có đường kính 73m12, và sau đó cho nổ hai hạt đó với nhau trong những quả cầu lửa nhỏ chứa năng lượng.

Cơ hội vàng của vật lý hạt

Trong suốt những năm đó, những thử nghiệm trên máy gia tốc Bắc Kinh đã mang lại kết quả khá tốt khi so sánh với những chiếc máy gia tốc nổi tiếng hơn và lớn hơn nhiều, ở những địa điểm có diện tích lớn hàng dặm và có năng lượng hàng tỉ tỉ điện tử volt (electron volt). Ví dụ như máy Tevatron tại phòng thí nghiệm Fermi National Accelerator, còn gọi là Fermilab, ở Chicago, và máy gia tốc LHC (Large Hardon Collider), dự kiến được khai trương vào năm 2008 tại phòng thí nghiệm CERN, gần Geneva.

Vào mùa thu tới, máy gia tốc Bắc Kinh (hiện đang ngừng hoạt động để nâng cấp) sẽ được hồi sinh với khả năng tạo ra số vụ nổ nhiều gấp 100 lần so với trước đây, cho phép các nhà vật lý có thể nghiên cứu các tính chất của lượng tử được cho là hấp dẫn và giải quyết một vài vấn đề còn tồn đọng về hạt quark.

Vào cuối thập kỷ này, khi các nhà vật lý trên thế giới chuyển những mối quan tâm và tài chính của họ sang một chiếc máy gia tốc CERN (Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu) mới, những cuộc thử nghiệm tại trung tâm Stanford Linear Accelerator thuộc công viên Menlo, California và tại Fermilab dự kiến bị dừng lại. Do vậy, máy gia tốc Bắc Kinh sẽ là một trong số ít máy gia tốc hạt tiếp tục thực hiện những cuộc thí nghiệm còn lại trên thế giới. Và cũng bởi vậy, các nhà vật lý trung Quốc (TQ) đang rất trông đợi sự cộng tác. Trên tạp chí

Nhà vật lý Chen-Ning Yang (sinh năm 1922), giải Nobel Vật lý 1957

vật lý Symmetry, ông Hesheng Chen, giám đốc của Viện Vật lý năng lượng cao của Bắc Kinh phát biểu: "Dù sự cộng tác vẫn còn chưa nhiều, song các cơ hội vàng hiện có mặt ở TQ". 

Quan trọng hơn, các nhà vật lý hạt của TQ sẵn sàng đóng góp vào một dự án vĩ đại nhất từ trước đến nay: một máy gia tốc khổng lồ còn được gọi là dự án ILC (International Linear Collider - Máy gia tốc tuyến tính quốc tế). Các nhà vật lý trên thế giới xác định đó sẽ là một chiếc máy lớn tiếp theo, nhưng việc nó sẽ tiêu tốn bao nhiêu tỉ USD và sẽ được xây dựng ở đâu vẫn còn đang được xem xét.

Đường lên đỉnh cao

Cho mãi đến đầu những năm 1970, sau khi những rắc rối của cuộc Cách mạng Văn hoá bắt đầu lắng xuống, ngành vật lý học TQ mới bắt đầu hồi phục. Nhân cơ hội có sự ủng hộ nhiệt tình của ông Mao, Thủ tướng Chu Ân Lai đã tán thành việc phát triển vật lý học năng lượng cao, với kỳ vọng âm thầm về việc lắp đặt một chiếc máy gia tốc hạt của TQ. Điều đã không được lường trước rằng vật lý hạt có liên quan mật thiết đến vũ khí nguyên tử.

Ông Chu nhận được sự ủng hộ của các nhà khoa học TQ từ nước ngoài, những người đã bắt đầu về thăm quê nhà, như ông Chen-Ning Yang, lúc đó đang làm việc tại Đại học New York và ông Tsung-Dao Lee từ Đại học Columbia. Cả hai ông này từng đoạt giải Nobel và đã đánh giá cao tầm quan trọng trong những nghiên cứu cơ bản của Mao và một số người khác.

Sau chuyến thăm các phòng thí nghiệm ở Tây Âu vào năm 1973, một nhóm nhà vật lý TQ trở về với quyết tâm xây dựng một chiếc máy gia tốc mà nó sẽ cho nổ các hạt proton cùng với nhau tại một mức năng lượng là 50 tỉ điện tử volt. Khi đến thăm TQ lần đầu ti

Nhà vật lý Tsung-Dao Lee (sinh năm 1926), cùng đoạt giải Nobel 1957 với Chen-Ning Yang

ên vào năm 1976, ngay sau thời điểm vụ động đất Tangshan làm chết hàng trăm ngàn người và sau thời điểm hai lãnh đạo TQ qua đời, ông Wolfgang Panofsky, cựu giám đốc của máy gia tốc Stanford rất ấn tượng trước khát vọng của người TQ trong việc tiếp tục công việc, dù nhiều người lúc đó sống trong những cái lều trên hè phố.

Nhưng ông Panofsky và những người khác, trong đó có cả ông Lee, cho rằng một cái máy ít phô trương hơn sẽ có ích cho TQ hơn. Ông Panofsky cho biết: "Chúng tôi đã thuyết phục họ không làm điều đó". Vào năm 1982, giữa thời điểm khó khăn về kinh tế, máy proton đó đã bị huỷ nhằm ủng hộ cho một cái máy mới dự kiến sẽ tạo ra sự va chạm giữa hạt electron và pozitron với mức năng lượng thấp hơn nhiều, ở mức khoảng 2 tỉ điện tử volt. Một chiếc máy như vậy sẽ sản sinh ra một bức xạ sinchrotron rất hữu ích cho ngành y tế cũng như các ngành khác, và cũng có vai trò trong việc nghiên cứu hạt. Nơi để máy gia tốc đã được chuyển từ một khu vực bên ngoài thành phố Bắc Kinh, gần địa điểm các lăng mộ thời nhà Minh, vào phía trong thành phố.

Thủ tướng Đặng Tiểu Bình cũng đã có mặt tại lễ động thổ vào thời điểm đó. Ông Panofsky nhớ lại khi đến Bắc Kinh trình bày về vật lý học và máy gia tốc: "Ông Bình đã giữ chân chúng tôi trong suốt 90 phút với bài thuyết trình ca ngợi sự kỳ diệu của ngành vật lý năng lượng cao. Để học hỏi công việc, một nhóm 30 kỹ sư máy gia tốc của TQ đã dành cả một mùa hè bên chiếc máy gia tốc Stanford”. Và chỉ sau 4 năm, một khoảng thời gian ngắn kinh ngạc, máy gia tốc Bắc Kinh ra đời với kích thước được căn cứ vào kích thước có thể đạt được vào thời điểm đó. Nhưng hoá ra, đó lại là sự lựa chọn ngẫu nhiên. GĐ Chen, người từng làm việc ở Viện công nghệ Massachusetts vào những năm 1980 cho biết: "Năng lượng thì thấp hơn, nhưng nó lại tuyệt vời hơn".

Biên cương bỏ ngỏ

Viện Vật lý năng lượng cao Bắc Kinh

Phạm vi năng lượng của máy gia tốc Bắc Kinh trong khoảng từ 1-2,2 tỉ điện tử volt trong mỗi chùm, chứa đựng nhiều vấn đề vật lý nan giải vẫn còn bị bỏ ngỏ, trong đó có hạt tau -một loại điện tử cực béo (superfat electron), và một loại hạt khác gọi là J/psi. J/psi - bao gồm một cặp các hạt quark, mà mỗi hạt biểu lộ đặc tính hạt được biết đến như là một thứ lực hấp dẫn - đã làm dấy lên một cuộc cách mạng và mang lại những giải thưởng Nobel khi nó được phát hiện vào năm 1974.

Giáo sư vật lý Frederick A. Harris của Đại học Hawaii, người thường xuyên làm việc với máy gia tốc Bắc Kinh, nói: "Có nhiều thứ đang hoạt động trong vùng năng lượng đó". Bằng cách điều chỉnh mức năng lượng của những chùm tia đang va chạm, các nhà nghiên cứu TQ đã có thể đo đạc khối lượng của hạt tau rất chính xác, cũng như tiến hành các nghiên cứu chi tiết về J/psi và những hạt tương tự.

Khi các nhà vật lý học ở CERN khởi động chiếc máy gia tốc LHC mới với mục tiêu cho các hạt proton va chạm với nguồn năng lượng 7 tỉ tỉ điện tử volt nhằm tìm kiếm các hạt mới cũng như những quy tắc vật lý hợp nhất mới, các dữ liệu Bắc Kinh về tham số này sẽ rất quan trọng đối với các nghiên cứu của họ. "Tất cả đều phụ thuộc vào các phép đo được thực hiện ở TQ tại mức năng lượng thấp", ông Harris giải thích. Sự cải tiến của máy gia tốc Bắc Kinh sẽ mở rộng thêm quyền thống soái của TQ trong vùng năng lượng này, cho phép các cuộc thí nghiệm thu thập thêm dữ liệu nhiều hơn 100 lần.

Máy gia tốc của Viện Vật lý năng lượng cao Bắc Kinh do Trung Quốc chế tạo đã được nâng cấp với tiền đầu tư 77,3 triệu USD vào năm 2004

Chiếc máy gia tốc ILC được dự tính sẽ bắn các hạt electron và các hạt pozitron vào nhau với nguồn năng lượng 500 tỉ điện tử volt, qua một đường hầm dài 20 dặm. Do máy gia tốc này được lập kế hoạch để theo kịp những khám phá thực hiện ở CERN với phí tổn vài tỉ đôla, nó có thể không được chấp thuận bởi chính phủ các nước đang bận tâm giải quyết vấn đề hồi phục tài chính cho đến tận cuối thập kỷ này, khi máy gia tốc mới CERN sẽ có cái để trình diễn.

Tuy nhiên, cuộc chạy đua giành vị trí đặt máy đã bắt đầu. Nước chủ nhà của máy gia tốc sẽ có những thuận lợi khi trở thành trung tâm của vật lý thế kỷ 21, dù sẽ phải gánh chịu những khoản chi phí lớn hơn các nước khác. Và Trung Quốc đang là một ứng cử viên nặng ký.

Các máy gia tốc hạt đã có sức mạnh của chúng dựa vào thuyết cân bằng của khối lượng và năng lượng nổi tiếng của Einstein. Đặt được càng nhiều năng lượng vào quả cầu lửa nhỏ xíu ấy, các nhà vật lý càng tiến gần hơn đến các điều kiện cho chính một vụ nổ big bang, và càng có thêm những hạt quy mô lớn và kỳ lạ được tạo ra - điều đã được các định luật vật lý thừa nhận.

Ngân Giang