Vì sao nghiên cứu hạt cơ bản nhỏ xíu mà phải dùng máy gia tốc đồ sộ?

Hạt cơ bản là những hạt nhỏ nhất mà hiện nay con người có thể nhận thức được. Rốt cuộc chúng nhỏ đến đâu? Hãy làm một phép so sánh để thấy rõ: nếu có một loại kính phóng đại có thể phóng to quả bóng bàn lên ngang cỡ Trái Đất, thế thì dùng kính có hệ số phóng đại như vậy để quan sát hạt cơ bản thì chúng cũng chỉ lớn bằng quả bóng bàn mà thôi. Xếp 1000 tỉ hạt cơ bản thành một hàng ngang, cho đội hình hàng ngang đó đều bước cùng xuyên qua lỗ kim khâu cũng vẫn còn rộng rãi chán!

Đối với các hạt cơ bản nhỏ đến mức ấy, người ta không có cách gì quan sát được chuyển động của chúng bằng mắt thường. Thậm chí dùng kính hiển vi hệ số phóng đại cao cũng khó tóm bắt được chúng. Hiện nay các nhà khoa học chưa có cách gì tạo ra máy móc, khí cụ tinh vi hơn nữa để quan sát hạt cơ bản, nên phải dùng chính hạt cơ bản làm con “dao mổ”, để mổ xẻ kết cấu của hạt cơ bản. Nguồn gốc thiên nhiên của loại “dao mổ” này là hạt năng lượng cao trong tia Vũ Trụ. Những cơ hội xuất hiện của chúng rất ít, vả lại cường độ rất yếu, càng quan trọng hơn là, con người không sao tiến hành điều khiển được chúng theo yêu cầu của các thực nghiệm khác nhau. Thế là các nhà khoa học liền chế tạo đủ loại các kiểu thiết bị công trình, gọi là máy gia tốc, để sinh ra hạt năng lượng cao nhằm sử dụng những hạt này tiến hành thực nghiệm có kế hoạch đối với hạt cơ bản một cách hữu hiệu và định lượng. Cỗ máy gia tốc con người chế tạo ban đầu là máy gia tốc đường thẳng, độ dài của nó tới 3 km. Nếu muốn sinh ra hạt năng lượng cao có năng lượng tăng 20 lần nữa, độ dài của máy gia tốc đường thẳng phải dài tới 75 km. Liệu có thể bắt hạt năng lượng cao chạy trên quỹ đạo cong, qua đó mà rút gọn rất nhiều kích cỡ của máy gia tốc hay không nhỉ? Ngay từ năm 1930, Laurence đã nêu ra phương án chế tạo máy gia tốc vòng đi vòng lại. Máy gia tốc vòng quanh chế tạo theo phương án này có đường kính khoảng 2 km. Nghiên cứu kích thước của hạt càng nhỏ, năng lượng cần thiết càng cao, thế thì đường kính của máy gia tốc sẽ phải càng lớn.

Vì sao nghiên cứu hạt cơ bản nhỏ xíu mà phải chế tạo máy gia tốc đồ sộ đến thế?

Thì ra, quy luật chuyển động của hạt cơ bản không đơn giản như chuyển động của vật thể trong thế giới vĩ mô mà chúng ta quan sát thấy (ví dụ chuyển động của quả bóng bàn). Chúng có một loại đặc tính kì lạ, tức là có hai thành phần: tính chất chuyển động sóng và tính chất hạt. Chuyển động của mỗi một loại hạt vi mô đều có một loại sóng đi kèm với nó. Bước sóng của loại sóng này tỉ lệ nghịch với động lượng của hạt. Vật thể như kiểu quả bóng bàn cũng có loại chuyển động sóng này, song khối lượng của quả bóng bàn lớn hơn rất nhiều so với hạt cơ bản. Vì vậy bước sóng của loại chuyển động sóng này rất ngắn, chúng ta hoàn toàn có thể bỏ qua ảnh hưởng của nó đối với chuyển động của quả bóng bàn. Tuy nhiên, khi nghiên cứu hạt cơ bản, cần phải coi trọng tác dụng của loại chuyển động sóng này. Để “nhìn rõ” kết cấu của hạt cơ bản, bước sóng của hạt cơ bản dùng làm “dao mổ” phải càng ngắn càng tốt, nếu không thì khó đo đạc chính xác được. Nhưng bước sóng càng ngắn thì động lượng tương ứng càng lớn. Những hạt cao tốc như vậy chạy theo đường thẳng rất dễ, song muốn chúng chuyển động vòng theo đường cung tròn thì không đơn giản. Cách giải quyết là chỉ có thể hết sức giảm nhỏ mức độ cong của “đường chạy” trong máy gia tốc. Như vậy, đường kính của máy gia tốc không thể không làm thật lớn.

Tuy nhiên, theo đà phát triển của khoa học kĩ thuật, con người tin rằng, kích thước của máy gia tốc có thể rút gọn lại nhiều. Năm 1953, máy gia tốc đồng bộ proton chế tạo tại phòng thực nghiệm quốc gia Brook New York là một trong số đó. Về nguyên tắc, loại máy gia tốc đó không bị hạn chế về thể tích, giá thành cũng tương đối thấp. Cố nhiên, về mặt kĩ thuật, nó cũng mang lại không ít vấn đề mới, còn phải chờ các nhà khoa học giải quyết thêm nữa.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Hỏi đáp & Tư vấn © 2013 Hỏi đáp tư vấn