Châu Á sẽ trở thành trung tâm của vật lý năng lượng cao ?

Máy va chạm positron điện tử vòng tròn (CEPC) của Trung Quốc có thể được xây dựng trong đường hầm đường kính 100 km tại một địa điểm còn chưa được xác định. Nguồn: IHEP

Tại một hội thảo mới diễn ra, các nhà khoa học Trung Quốc đã tiết lộ thiết kế ý tưởng về Máy va chạm positron điện tử vòng tròn (CEPC) – một cỗ máy gia tốc hạt trị giá 5 tỷ USD, để giải quyết thách thức lớn tiếp theo trong nghiên cứu vật lý hạt: nghiên cứu về hạt Higgs boson. Hiện giờ, họ đã sẵn sàng để phát triển những kế hoạch chi tiết, dự kiến xây dựng vào năm 2022 và vận hành vào năm 2030 – nếu chính phủ Trung Quốc đồng ý đầu tư.

Trong khi đó, trước đề xuất Máy gia tốc tuyến tính quốc tế (ILC), chính phủ Nhật Bản vào cuối tháng 12/2018 sẽ quyết định là liệu có đầu tư một cỗ máy đắt tiền như thế để nghiên cứu hạt Higgs không. Vậy quyết định của Nhật Bản có thể ảnh hưởng đến Trung Quốc như thế nào vẫn còn chưa rõ ràng nhưng dường như tương lai của các hoạt động nghiên cứu về hạt Higgs vẫn ở châu Á. Đề xuất “Các công xưởng Higgs” tại châu Âu hàng thập kỷ qua vẫn chỉ là đề xuất và Mỹ thì không có những kế hoạch như vậy.

Higgs boson, yếu tố quan trọng để giải thích các hạt khác gia tăng khối lượng như thế nào, đã được các nhà khoa học ở CERN – phòng thí nghiệm máy gia tốc hạt lớn nhất châu Âu - khám phá vào năm 2012, sau khi lý thuyết dự đoán về sự tồn tại của nó đã ra đời hơn 40 năm trước. Giờ đây, các nhà khoa học muốn xác nhận các đặc tính của hạt này, nó tương tác với các hạt khác như thế nào, và liệu nó có “đóng góp” gì vào vật chất tối không. Chỉ có khối lượng nhưng không có spin và không mang điện tích, Higgs thực sự là “một kiểu hạt cơ bản mới” và là “một phần đặc biệt của Mô hình chuẩn”, một “người báo hiệu về những nguyên tắc mới sâu sắc”, Nima Arkani-Hamed – một nhà vật lý lý thuyết tại Viện Nghiên cứu tiên tiến ở Princeton, New Jersey, cho biết. Đồng thời, ông cũng nêu thêm, việc trả lời phần lớn các câu hỏi quan trọng về vật lý hạt ngày nay đều liên quan đến việc nghiên cứu về Higgs,” ông nói.

“Các nhà vật lý muốn có ít nhất một cỗ máy”, Joao Guimaraes da Costa – một nhà vật lý tại Viện nghiên cứu vật lý năng lượng cao (IHEP) của Viện Hàn lâm KH&CN Trung Quốc, cho biết. “Một cách lý tưởng, cả hai cần được xây dựng,” bởi vì mỗi thiết bị đều có một giá trị riêng biệt, theo Hitoshi Murayama – một nhà vật lý lý thuyết làm việc tại trường đại học California ở Berkeley và Viện nghiên cứu Vật lý và Toán Kavli của trường đại học Tokyo, Nhật Bản.

Khám phá ở CERN phụ thuộc vào cỗ gia tốc hạt LHC với đường kính vành va chạm 27 km trong đó các proton năng lượng cao di chuyển theo hướng ngược lại được điều khiển hướng vào các vành va chạm. Điều đó tạo ra những cơn mưa của nhiều loại hạt cơ bản, vì thế các nhà vật lý buộc phải sàng lọc qua hàng tỷ sự kiện để điểm được phát hiện tín hiệu ‘lộ tẩy chân tướng” của một hạt Higgs. Giống như ăn bánh anh đào, Murayama so sánh, “một đống kem lỏng tràn ra trong khi bạn thực sự chỉ mong chờ tiếng leng keng nho nhỏ của đồng xu may mắn bên trong bánh.”

Sự va đập các eletron thành các positron – những bản sao phản vật chất của chúng, các kết quả trong những vành va chạm rõ ràng có thể tạo ra một hạt Z và một Higgs boson tại một thời điểm, Bill Murray tại  Đại học Warwick ở Coventry, cho biết. Sự phân rã của các hạt Z như thế nào đã được hiểu rõ, nên những tín hiệu khác có thể được quy cho các hạt Higgs “và chúng ta có thể xem những gì diễn ra", Murray nói.

Kế hoạch xây dựng máy gia tốc electron-positron của Nhật Bản xuất hiện từ những dự án nghiên cứu quốc tế trong những năm 1990. Các nhà vật lý ủng hộ một máy gia tốc tuyến tính, trong đó các hạt được chuyển xuống hai rãnh đối lập, va chạm như những viên đạn trên họng súng. Thiết kế kiểu này hứa hẹn vào khả năng có được những nguồn năng lượng cao hơn bởi vì tránh cho việc tổn thất năng lượng khi các hạt mang điện tích được chuyển vào vòng tròn, nguyên nhân khiến chúng tạo ra năng lượng dưới hình thức các tia X. Nhược điểm của chúng là các hạt không va chạm có thể bị mất; trong một thiết kế hình tròn, chúng tiếp tục vòng quanh vòng tròn để cho một cơ hội va chạm khác. 

Theo cách này, Nhật Bản cho thấy có thể đầu tư cho máy collider và ủng hộ việc chia sẻ chi phí đầu tư với những quốc gia khác đóng góp kinh phí làm các máy gia tốc thành phần, các hợp phần khác và phần tư vấn chuyên môn. Năm 2013 thiết kế cơ bản một collider tuyến tính 500GeV với đường hầm dài 31 km trị giá 8 tỷ USD được hình dung. Nhưng đến lúc đó, CERN đã quyết định truy tìm khối lượng hạt Higgs trên cỗ máy 125 GeV. Vì vậy họ đã sửa đổi kế hoạch với mục tiêu xây dựng một máy gia tốc 250 GeV đặt trong một đường hầm dài 20 km với kinh phí 5 tỉ đô la, Murayama cho biết. Ông cũng là phó giám đốc của Khối Hợp tác collider tuyến tính, trong đó cùng triển khai R&D trên phạm vi toàn cầu về các collide trong tương lai.

Các nhà khoa học của IHEP đã xây dựng đề xuất của mình chỉ hai tháng sau khi có loan báo về hạt Higgs. Họ thấy năng lượng cần cho “công xưởng hạt Higgs” này “tốt hơn là nằm trong một phạm vi đường tròn”, Murray nói. Với những chùm tia nằm trong một đường hầm có đường tròn 100 km tại địa điểm được chọn, CEPC có thể tạo ra va chạm các hạt electron và positron tới mức 240 GeV.

Cả hai cách tiếp cận này đều rất tiên tiến. CEPC sẽ tạo ra Higgs gấp gần 5 lần với tỷ lệ của ILC, cho phép đẩy nhanh công việc nghiên cứu nhưng Murayama lưu ý ILC có thể được nâng cấp một cách dễ dàng để đạt tới mức năng lượng cao hơn bằng việc mở rộng đường hầm tới vài km nữa. Phần lớn các nhà vật lý không muốn lựa chọn cái nào hơn cái nào bởi cả hai “đều hoàn toàn có thể bổ sung cho nhau,” Murray nói.

Mọi việc vẫn còn phải chờ các nhà quản lý và cơ quan cấp quỹ. Việc xây dựng CEPC phụ thuộc vào kế hoạch 5 năm tới của Trung Quốc, sẽ bắt đầu vào năm 2021, theo Wang Yifang- giám đốc IHEP. IHEP có thể sẽ tìm kiếm những đóng góp quốc tế vào dự án này. Murayama cho rằng Nhật Bản cần phê chuẩn dự án ILC đúng lúc để điều đình nhận hỗ trợ từ Liên minh châu Âu đang có kế hoạch đầu tư cho máy gia tốc hạt vào năm 2019. Việc để lỡ cơ hội cũng có thể trì hoãn kế hoạch collider tới 20 năm nữa và điều đó có nghĩa là có thể nhường lĩnh vực này vào tay Trung Quốc.

Thanh Nhàn dịch

Nguồn: https://www.sciencemag.org/news/2018/11/china-unveils-design-5-billion-particle-smasher