Đây là cách các nhà khoa học tăng tốc hạt lên tới 99,99% vận tốc ánh sáng

Máy gia tốc hạt là công cụ để cho các nhà khoa học phát hiện được hạt Higgs, và công trình Large Hadron Collider (LHC) – Máy Gia Tốc Hạt Lớn là một công trình như vậy.

Nhưng không chỉ LHC đơn độc trên con đường ấy, toàn thế giới này có hơn 30.000 máy gia tốc hạt được sử dụng vào rất nhiều ứng dụng khác nhau. Một số trong đó, như LHC, tăng vận tốc hạt lên tới gần vận tốc ánh sáng, va chúng vào nhau với mục đích quan sát được “viên gạch nền móng” tạo nên vũ trụ này. Một vài loại máy khác có công việc đơn giản hơn như đóng hộp sữa và dính chặt miệng túi bim bim.

Ảnh từ Brookhaven, New York.

Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven tại New York sở hữu một trong những máy gia tốc hạt tiên tiến nhất thế giới mang tên National Synchrotron Light Source II (NSLS II). Nó cho phép các nhà khoa học có thể tiến hành nghiên cứu rất nhiều khía cạnh của khoa học, từ tìm ra loại thuốc tốt hơn cho tới việc nghiên cứu lắp đặt nên con chip máy tính tiên tiến nhất, nó phân tích tất cả mọi thứ từ các phân tử trong cơ thể bạn cho tới mặt đất dưới chân bạn.

Khi các nhà khoa học gia tăng vận tốc của hạt tới mực cực điểm trong máy NSLS II này, họ bắt nó phải tỏa ra một lượng năng lượng mà họ dùng để thực hiện những thí nghiệm ngoài sức tưởng tượng.

Khi các electron di chuyển với vận tốc gần vận tốc ánh sáng, chúng sẽ tỏa ra năng lượng dưới dạng bức xạ, với ví dụ như tia X-quang. Loại tia này sản xuất ra bởi NSLS II cực kì sáng, hơn cả tỉ lần so với cái máy X-quang mà bạn nhìn thấy trong bệnh viện. Khi các nhà khoa học tập trung loại tia cực sáng này vào trong một điểm cực nhỏ, chúng sẽ cho phép ta quan sát được vật chất ở mức nguyên tử. Ta cũng có thể gọi nó là một siêu kính hiển vi.

Đây là cách mà NSLS II đẩy vận tốc hạt lên tới 99,99% vận tốc ánh sáng.

Đầu tiên, khẩu súng electron bắn ra những tia electron vào trong tuyến gia tốc (hay còn gọi là linac)

Bên trong linac, nam châm từ tính và trường sóng vô tuyến được sử dụng để tăng tốc electron, đi trong một môi trường chân không để chắc chắn rằng chúng không va phải các hạt khác và đi chậm lại.

Tiếp theo, electron sẽ được đi qua một vòng tăng tốc, tại đó nam châm và trường sóng vô tuyến sẽ đẩy vận tốc chúng lên tơi 99,99% vận tốc ánh sáng. Rồi chúng được đưa vào một vòng tròn có tên vòng chứa.

Trong vòng chứa, electron được lái đi bởi một hệ thống nam châm. Nam châm xanh dương bẻ cong chuyển động của electron, nam châm và tập trung vào định hướng đường đi của electron còn nam châm đỏ và cam mang những electron lệch hướng về đúng quỹ đạo cần có. Những nam châm nhỏ hơn được sử dụng với mục đích giữ cho đường đi của tia electron ổn định.

Đây là thiết bị ghép nằm trong vòng chứa. Thiết bị này là một cấu trúc nam châm làm rung tia electron khi nó đi qua. Điều này sẽ tạo ra một tia cực sáng và cực kì tập trung.

Khi electron đi vào vòng chứa này, chúng sẽ giảm dần tốc độ và mất đi năng lượng. Số năng lượng ấy có thể được chuyển thành một dạng bức xạ điện từ khác, ví dụ như X-quan, được chiếu thành một đường thẳng trong khoang. Ở cuối đường ống, những tia X-quang ấy sẽ va vào bất kì vật thể nào là mục tiêu làm thí nghiệm.

Đây là đường ống X-quang, nơi các nhà khoa học phân tích thành phần hóa học của vật chất, qua việc phân tích các electron trong một nguyên tử.

Khuôn viên chứa NSLS II lớn tới mức rất nhiều nhân viên làm việc nơi đây phải đi làm trên xe đạp.

Hệ thống gia tốc hạt NSLS II vẫn đang ở giai đoạn phát triển đầu tiên, Khi hoàn thiện, chúng có thể cung cấp khoảng 70 đường ống khác nhau

Tham khảo BI