Khám phá ý tưởng xây dựng máy gia tốc hạt trên Mặt trăng

Khi nghiên cứu sâu hơn về cách hoạt động của vũ trụ, các thí nghiệm vật lý hạt càng trở nên phức tạp hơn bao giờ hết.

Một nhà vật lý đang hỏi: Điều gì xảy ra nếu chúng ta bỏ qua tất cả những bước đó và thiết lập các thí nghiệm vật lý hạt trên Mặt trăng?

Thứ nhất, Mặt trăng rất lạnh. Vào ban đêm, nhiệt độ giảm xuống còn âm 100 độ F (âm 73 độ C). Vào ban ngày, mọi thứ trở nên nóng hơn, khoảng 38 độ C. Các nhà vật lý cần nhiệt độ thấp như vậy vì một vài lý do. Trong các máy gia tốc, nhiệt độ lạnh bảo đảm rằng các nam châm siêu dẫn – được sử dụng để bắn các hạt bên trong máy gia tốc bay đến gần tốc độ ánh sáng – không bị tan chảy.

Thứ hai, máy dò càng nóng, bạn càng phải đối phó với độ nhiễu càng lớn khi cố gắng xác nhận các tín hiệu nhỏ từ các hạt hạ nguyên tử. (Nhiệt độ cao hơn tương đương với việc nhiều phân tử dao động hơn, tương đương với độ nhiễu lớn hơn). Bên cạnh đó, việc Mặt trăng không có bầu khí quyển cũng là một lợi ích lớn. Các nhà vật lý phải rút hết không khí ra khỏi máy gia tốc và máy dò của họ. Nhưng Mặt trăng có chân không tốt hơn 10 lần so với bất cứ thứ gì các nhà vật lý đã chế tạo trong các thí nghiệm của họ. Và nó làm điều đó một cách tự nhiên, không cần bất kỳ nỗ lực nào cả.

Cuối cùng, bởi vì khóa thủy triều – tức là vệ tinh tự nhiên của chúng ta mất cùng thời gian quay quanh Trái đất để xoay quanh trục của nó (chu kỳ quay của nó) – Mặt trăng luôn giữ cùng một mặt hướng về Trái đất. Điều này có nghĩa là một chùm hạt từ Mặt trăng có thể quay ngược về phía phòng thí nghiệm được phát hiện trên Trái đất, tận dụng khoảng cách xa mà không phải làm việc rất vất vả để căn chỉnh thiết lập.

Có lẽ, lợi ích đáng giá nhất từ một thí nghiệm vật lý trên Mặt trăng sẽ là nguồn neutrino.

Neutrino là những hạt nhỏ ma quái, nhanh nhẹn không có điện tích và hầu như không có khối lượng nào cả. Điều này cho phép chúng lướt qua vật chất bình thường mà hầu như không thể nhận ra. Không cần phải nói, neutrino rất khó để nghiên cứu. Chúng được tạo ra với số lượng lớn trong các phản ứng hạt nhân, vì vậy tất cả những gì cần để có là xây một nhà máy điện hạt nhân trên Mặt trăng và để nó hoạt động. Các neutrino mà nó tạo ra sẽ chạy đua đến Trái đất, nơi chúng ta có thể thu thập và nghiên cứu chúng.

Một đặc tính khó chịu và bí ẩn của neutrino là chúng có khả năng thay đổi loại – “hương vị” trong thuật ngữ vật lý khi đang bay. Bằng cách có một khoảng cách lớn giữa sản sinh và phát hiện neutrino, các nhà vật lý cho nhiều neutrino cơ hội để “thay đổi hương vị” hơn, qua đó có thể hiểu rõ hơn về hành vi này.

Neutrino không phải là thứ duy nhất mà một cơ sở trên Mặt trăng có thể bắn vào Trái đất. Ngay cả những máy va chạm hạt mạnh nhất của chúng ta cũng không thể đến gần với mức năng lượng mà thiên nhiên có khả năng tạo ra để phóng hạt (chính xác thì, chúng ta thậm chí không thể đạt được một phần tỷ năng lượng đó).

Một cơ sở trên Mặt trăng có thể tạo ra các hạt năng lượng cao với số lượng lớn, bắn chúng vào bầu khí quyển và cho chúng ta quan sát các trận mưa hạt từ mặt đất, giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về năng lượng này của vũ trụ. Nhưng tại sao phải dừng lại ở đó? Tại sao không đặt cả máy dò lên Mặt trăng? Một thí nghiệm vật lý hạt hoàn chỉnh, với nguồn, máy gia tốc và máy dò trên Mặt trăng cung cấp một số lợi thế so với các hệ thống trên Trái đất. Nút thắt số một ở đây là nhu cầu về một khoảng chân không được kiểm soát cao, điều này làm cho các thí nghiệm trên Trái đất tương đối nhỏ gọn.

Nhưng trên Mặt trăng, bạn có được môi trường chân không miễn phí. Và chân không đó tốt hơn nhiều so với cái được sử dụng trong các thí nghiệm máy va chạm hạt. Tác giả đề xuất công nhận tồn tại một thách thức kỹ thuật nhỏ trong việc thực sự đến đó và xây dựng các thí nghiệm tinh vi trên Mặt trăng, nhưng một khi điều này được giải quyết chúng ta có thể có các bước tiến lớn trên Mặt trăng.