Nhật Bản đạt đột phá về máy gia tốc hạt

Các nhà nghiên cứu đã tăng tốc Muon - "người anh em" nặng hơn và kém bền vững của electron - thành một chùm tia được kiểm soát chặt chẽ, đưa tầm nhìn về máy va chạm Muon tiến gần hơn đến hiện thực. 

Một nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Máy gia tốc Proton Nhật Bản (J-PARC) ở Tokai đã bắn tia laser vào dòng Muon để làm chậm các hạt đang chuyển động nhanh này gần như đứng yên. Sau đó, họ sử dụng điện trường để tăng tốc những Muon đã được "làm lạnh" này lên khoảng 4% vận tốc ánh sáng. Kết quả nghiên cứu, dù chưa được phản biện, đã được đăng tải ngày 15/10 trên máy chủ arXiv. 

Theo Holmes, nhà vật lý hạt tại Đại học Tennessee, Knoxville, thành tựu này là một "bước tiến lớn" trong việc phát triển máy va chạm Muon. Loại máy này có thể thực hiện các phép đo cực kỳ nhạy để khám phá những hiện tượng vật lý mới, đồng thời nhỏ gọn và tiết kiệm chi phí hơn các máy va chạm hạt khác. 

Muon là hạt cơ bản có tuổi thọ ngắn, gần như giống hệt electron nhưng có khối lượng lớn hơn 200 lần. Trong thập kỷ qua, ý tưởng xây dựng máy va chạm Muon nhỏ gọn ngày càng được quan tâm. Máy này có thể đạt hoặc vượt năng lượng của những máy va chạm proton và electron cồng kềnh như Máy Va chạm Hadron Lớn dài 27 km tại CERN - phòng thí nghiệm vật lý hạt châu Âu gần Geneva, Thụy Sĩ.

Một máy va chạm Muon dài 10 km có thể tạo ra các hạt có năng lượng tương đương máy proton dài 90 km, bởi Muon là hạt cơ bản, nghĩa là toàn bộ năng lượng đều dồn vào mỗi va chạm. Ngược lại, va chạm proton xảy ra giữa các quark cấu thành nên nó.  

Hạt Muon "cứng đầu"  

Tuy nhiên, việc tăng tốc Muon cực kỳ khó khăn vì chúng chỉ tồn tại khoảng 2 micro giây trước khi phân rã thành một electron và hai loại neutrino. Chúng cũng chuyển động theo nhiều hướng khác nhau với các tốc độ khác nhau, khiến việc thuần hóa thành chùm tia hẹp, cường độ cao trở nên khó khăn. Mặc dù các nhà nghiên cứu đã từng tăng tốc muon trước đây, nhưng theo Kamioka, đồng tác giả nghiên cứu và là nhà vật lý hạt tại Tổ chức Nghiên cứu Máy gia tốc Năng lượng cao ở Tsukuba, Nhật Bản, các chùm tia này "phân kỳ mạnh".

Kết quả là, chúng quá khó kiểm soát để dùng cho các phép đo nhạy.  Để vượt qua trở ngại này, Kamioka và cộng sự đã bắn một chùm antimuon (hạt đối vật chất của Muon, mang điện tích dương) vào aerogel silica, một vật liệu xốp thường được dùng làm vật liệu cách nhiệt. Khi antimuon va chạm với electron trong aerogel, chúng tạo thành các nguyên tử trung hòa "muonium".

Các nhà nghiên cứu chiếu laser vào những nguyên tử này để tách electron, biến chúng trở lại thành antimuon gần như đứng yên. Quá trình làm lạnh này giúp đồng nhất tốc độ và hướng chuyển động của các hạt.  Tiếp theo, họ sử dụng điện trường để tăng tốc những muon đã được làm chậm này lên năng lượng 100 kiloelectron-volt, đạt tốc độ khoảng 4% vận tốc ánh sáng.

Holmes cho rằng mặc dù kết quả rất đáng mừng, nhưng vẫn còn một chặng đường dài trước khi máy va chạm Muon trở thành hiện thực. Bà nói phương pháp này cần được mở rộng để tạo ra các chùm tia tập trung hơn, cường độ cao hơn.  Kamioka cho biết ông và cộng sự đang phát triển công nghệ cần thiết để tăng tốc Muon lên 94% vận tốc ánh sáng và hy vọng đạt được điều này vào năm 2028. "Đó là cột mốc tiếp theo của chúng tôi", ông nói.

Ngoài việc xây dựng máy va chạm trong tương lai, các nhà vật lý có thể sử dụng chùm tia Muon năng lượng cao trong các thí nghiệm vượt ra ngoài mô hình chuẩn vật lý hạt, chẳng hạn như đo chính xác từ tính bí ẩn của Muon - được chứng minh là mạnh hơn dự đoán của lý thuyết, Kamioka cho biết thêm.