“Bẫy” hạt Higgs

CMS (Compact Muon Solenoid) và ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) là hai trong sáu bộ phân tích hạt của Máy Gia tốc hạt Lớn (LHC). Nhiệm vụ của CMS là ghi nhận các sản phẩm va chạm của proton hoặc các ion nặng.

Mô hình chuẩn thừa nhận sự tồn tại của hạt Higgs.

CMS, giống như ATLAS, được xây dựng nhằm phát hiện và nghiên cứu chi tiết đối với hạt Higgs. Phát hiện hạt Higgs xảy ra vào tháng 7/2012. Đến tháng 3/2013, các nhà khoa học khẳng định sự tồn tại của hạt Higgs. Tóm bắt hạt Higgs không dễ, bởi đời sống của nó rất ngắn.

Theo Mô hình chuẩn (một phần của lý thuyết trường lượng tử), các hạt ferrmon (hạt vật chất) trong tự nhiên (các quark và các lepton) có khối lượng nhờ tương tác với trường Higgs.

Có thể nói, đây là một dạng trường “cản trở chuyển động” mà hạt cơ bản đi kèm với trường này chính là boson Higgs.

Sự tồn tại của hạt Higgs được khẳng định thông qua các sản phẩm sau phân rã. Từ thời điểm phát hiện hạt Higgs, bộ phân tích hạt CMS giúp các nhà nghiên cứu phân tích các quá trình tiếp theo, mà trong đó hạt xuất hiện.

Điều này cho phép xác định chính xác đặc tính, khối lượng, thời gian sống, sản phẩm phân rã và tần suất phân rã… CMS không chỉ chuyên phát hiện các hạt muon, mà còn có thể phát hiện các hạt sơ cấp khác nữa.

Bộ phân tích hạt CMS là thiết bị phân tích hạt nặng nhất thế giới. Nó cân nặng 14.000 tấn, nặng hơn tháp Eiffel của Pháp khoảng 1,5 lần.

CMS có cấu trúc khác thường. Nó bao gồm các phần có khả năng trượt trên các túi đệm không khí. Sức nặng của thiết bị này là do các khối thép đặc tạo ra. Trong CMS có 11 mâm thép, đường kính 14m và dày 30cm. Mỗi mâm thép nặng 1.000 tấn. Khả năng di chuyển những chiếc mâm thép này giúp các kỹ thuật viên dễ dàng chui vào CMS và thực hiện sửa chữa khi cần thiết.

Trong giai đoạn LHC ngừng hoạt động để bảo dưỡng, CMS cũng được kiểm tra, gắn thêm các lớp đệm mới, sửa chữa nhiệt lượng kế… Tất cả là nhằm gia tăng độ phân giải của bộ phân tích hạt, chuẩn bị cho công việc trong điều kiện chùm hạt hoạt động mạnh mẽ hơn.

Thành phần chủ chốt của bộ phân tích hạt là nam châm điện khổng lồ. Cuộn dây của nam châm này có đường kính hơn 6m. Từ trường bên trong cuộn dây này có cường độ 4 Tesla.

Không có nam châm điện thứ hai nào trên thế giới có khả năng tạo ra từ trường lớn như vậy. Dòng điện trong cuộn dây đạt tới 20.000 Amper.

Bộ phân tích hạt CMS (Compact Muon Solenoid).

Điều quan trọng là hệ thống phát hiện cả các hạt ở bên ngoài nam châm, do từ trường vẫn được bộ phân tích hạt duy trì ở khu vực đó. Tất cả là nhờ thép được sử dụng để chế tạo bộ phân tích hạt.

Từ trường mạnh làm cong quỹ đạo chuyển động của các hạt tích điện và dựa vào đó, các nhà nghiên cứu phân biệt được các loại hạt đó. Quỹ đạo càng cong, việc phân biệt càng dễ.

Theo các nhà khoa học, hai bộ phân tích hạt CMS và ATLAS (cũng phát hiện hạt Higgs) có sự cạnh tranh lẫn nhau. Kết quả từ hai thí nghiệm CMS và ATLAS được giữ kín.

“Chúng tôi chỉ so sánh các kết quả sau khi chúng được công bố chính thức’ – TSKH Pavel Bruckman de Renstrom ở Viện Vật lý hạt nhân (Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan) cho biết. Điều quan trọng nhất là cả hai thí nghiệm đều cho kết quả như nhau. Trong trường hợp phát hiện hạt Higgs, cả hai bộ phân tích hạt đều “nhìn thấy” hạt có cùng khối lượng và đó không phải là sự tình cờ.

Trong bộ phân tích hạt CMS xảy ra khoảng 40 triệu va chạm proton/1 giây. Cứ 25 nano giây thì có 1 bức ảnh được chụp. Độ phân giải ảnh lên tới 1MB.

Một hệ thống điện tử đặc biệt chọn lựa khoảng 1.000 trong số 40 triệu va chạm proton/giây để phân tích và mô tả. Công việc của hệ thống này quyết định thành công của cả quá trình.

Sự tồn tại của hạt Higgs được Mô hình chuẩn thừa nhận. Ngày 4/7/2012, trong các thí nghiệm được thực hiện tại Máy Gia tốc hạt Lớn của Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN), hai bộ phân tích hạt ATLAS và CMS phát hiện hạt cơ bản mới – đó chính là hạt Higgs. Phát hiện này tiếp tục được khẳng định qua các thí nghiệm tiếp theo, kéo dài trong suốt năm 2013.

Vào tháng 4/2013, các nhóm nghiên cứu làm việc tại CMS và ATLAS khẳng định, chắc chắn, họ đã phát hiện ra hạt Higgs.

Tuấn Sơn

Theo giaoducthoidai.vn