Vì sao CERN phải thay các nam châm quan trọng nhất của LHC?

Trong đường hầm dài 27 km của Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC), đội ngũ kỹ thuật CERN vừa cắt mối nối đầu tiên giữa các nam châm để bắt đầu một cuộc thay thế quy mô lớn. Những thiết bị được tháo ra vẫn đang làm đúng nhiệm vụ, nhưng chúng không còn đủ mạnh cho mục tiêu tiếp theo: tạo ra nhiều vụ va chạm hạt hơn trong cùng một khoảng thời gian. [1]

Câu trả lời nằm ở cách LHC đưa hai chùm hạt gặp nhau. Muốn tăng số vụ va chạm, CERN không chỉ cần cho hạt chuyển động trong vòng máy; họ còn phải ép các chùm hạt thật hẹp ngay trước điểm giao nhau. Các nam châm tứ cực mới, dùng cuộn dây siêu dẫn niobi-thiếc, sẽ tạo từ trường tới 11,3 tesla, mạnh hơn khoảng 40% so với thế hệ hiện tại và nhờ đó hội tụ chùm hạt chặt hơn. [1]

Những nam châm nào đang được thay?

LHC sử dụng hàng nghìn nam châm thuộc nhiều loại để lái và kiểm soát chùm hạt. Trong số đó, các cụm “inner triplet” đặc biệt quan trọng. Mỗi cụm gồm ba nam châm tứ cực và được đặt ở hai phía của bốn thí nghiệm chính. Nhiệm vụ của chúng là hội tụ chùm hạt ngay trước khi các hạt đi vào vùng va chạm bên trong máy dò. [1]

Có thể hình dung mỗi chùm hạt như một dòng phương tiện phải đi qua một nút giao rất nhỏ. Nếu dòng xe trải rộng trên nhiều làn, ít xe gặp nhau đúng tại nút giao; nếu các làn được gom sát hơn, khả năng gặp nhau tăng lên. Đây chỉ là phép so sánh để hình dung: trong LHC, nam châm không làm các hạt “xếp hàng” mà điều khiển tiết diện của cả chùm trước điểm va chạm.

Vì sao chùm hạt hẹp tạo ra nhiều va chạm hơn?

Hai chùm hạt có thể đi xuyên qua nhau mà không phải mọi hạt đều va chạm. Khi mỗi chùm chiếm một vùng rộng, mật độ hạt tại phần giao nhau thấp hơn. Ép cùng chùm hạt vào một vùng hẹp hơn làm tăng khả năng các hạt của hai chùm đi đủ gần để xảy ra va chạm. Vì vậy, khả năng hội tụ quyết định trực tiếp lượng sự kiện mà máy dò có thể ghi nhận. [1]

Đại lượng CERN muốn tăng được gọi là độ chói của máy gia tốc, tức số vụ va chạm diễn ra trong một khoảng thời gian. Độ chói cao không có nghĩa từng vụ va chạm mạnh hơn; nó có nghĩa các thí nghiệm nhận được nhiều vụ va chạm hơn để phân tích. Sự phân biệt này giải thích vì sao thay nam châm hội tụ là một phần cốt lõi của dự án High-Luminosity LHC, thường được viết tắt là HiLumi LHC. [1]

Tại sao nam châm cũ không thể tiếp tục đảm nhiệm?

Các inner triplet hiện tại dùng công nghệ niobi-titan và đã được lắp trong giai đoạn xây dựng LHC, từ năm 2005 đến 2007. Sau gần hai thập niên vận hành, chúng sẽ nhường vị trí cho một thế hệ có khả năng tạo từ trường lớn hơn. Việc thay thế không xuất phát từ một hỏng hóc được nêu ra, mà từ yêu cầu hội tụ vượt quá năng lực thiết kế của thế hệ đang hoạt động. [1]

Điểm khác biệt chính của thế hệ mới là cuộn dây siêu dẫn niobi-thiếc. Vật liệu này cho phép nam châm đạt từ trường 11,3 tesla, cao hơn khoảng 40% so với các nam châm hiện tại. Từ trường mạnh hơn giúp nam châm kiểm soát chùm hạt quyết liệt hơn trên đoạn hội tụ, để chùm hạt có thể được nén chặt trước khi đi vào vùng tương tác. [1]

Cuộc thay thế diễn ra như thế nào?

Công việc được thực hiện trong đợt dừng máy dài thứ ba của LHC, gọi là LS3. Từ ngày 7 tháng 9, các đội của CERN bắt đầu tháo dỡ những đoạn máy ở hai phía của ATLAS và CMS. Tổng cộng 28 nam châm siêu dẫn, trong đó có các inner triplet, nằm trong kế hoạch tháo bỏ. Việc cắt mối nối đầu tiên đánh dấu lúc hệ thống cũ thực sự bắt đầu được tách khỏi máy gia tốc. [1]

Các thiết bị thay thế không phải những bộ phận có thể đưa xuống đường hầm rồi cắm vào ngay. Kế hoạch bao gồm 16 bình lạnh và 28 cụm thiết bị lạnh; nam châm tứ cực đầu tiên của các triplet mới dự kiến được đưa vào đường hầm vào đầu năm 2029. Quy mô này cho thấy thay nam châm còn kéo theo việc xử lý các kết nối và hệ thống duy trì điều kiện siêu dẫn quanh chúng. [1]

Vì sao ATLAS và CMS được ưu tiên?

Các inner triplet mới sẽ được lắp quanh ATLAS và CMS, hai thí nghiệm cần mức tăng lớn về số vụ va chạm tức thời. ALICE và LHCb theo đuổi những chương trình vật lý khác và vận hành theo cách khác, nên không cần cùng mức tăng này. Inner triplet hiện có tại hai thí nghiệm đó có thể được giữ lại, dù chúng vẫn sẽ được nâng cấp để hưởng lợi từ mức độ chói tổng thể cao hơn của LHC. [1]

Đích đến của HiLumi LHC không chỉ là một con số từ trường lớn hơn. Khi chùm hạt được hội tụ chặt, ATLAS và CMS có thêm nhiều sự kiện để sàng lọc và so sánh. Một hiện tượng hiếm, nếu có, sẽ dễ xuất hiện trong tập dữ liệu lớn hơn; đồng thời, những phép đo dựa trên nhiều sự kiện cũng có thêm cơ sở phân tích. Nam châm mới vì thế là công cụ tạo dữ liệu, không phải bản thân thiết bị phát hiện. [1]

Nhìn theo cách đó, việc tháo những nam châm vẫn hoạt động không phải sự lãng phí khó hiểu. Thế hệ cũ phù hợp với LHC ban đầu, còn giai đoạn độ chói cao đặt ra một yêu cầu khác: đưa nhiều hạt vào cùng vùng giao nhau hơn. Bước cắt mối nối trong đường hầm vì thế mở đầu cho sự thay đổi từ khả năng điều khiển chùm hạt đến lượng dữ liệu mà ATLAS và CMS có thể thu thập. [1]