Large Hadron Collider (LHC), cỗ máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới, sắp dừng hoạt động - không phải vĩnh viễn nhưng trong một khoảng thời gian khá dài. Quyết định này đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong lịch sử của công cụ khoa học nổi tiếng nhất hành tinh, đồng thời mở ra những câu hỏi về tương lai của vật lý hạt cơ bản.

LHC là một vòng tròn hình ống ngầm dài 27 km nằm sâu dưới biên giới Pháp-Thụy Sĩ, được thiết kế để tái tạo những điều kiện cực đoan của vũ trụ chỉ vài phần triệu giây sau vụ nổ Big Bang. Cỗ máy hoạt động bằng cách tăng tốc các proton - hạt nhân của nguyên tử hydrogen - đến gần tốc độ ánh sáng, sau đó cho chúng va chạm với nhau tại bốn điểm khác nhau quanh vòng tròn.

Năng lượng từ những va chạm này tạo ra "mưa" các hạt mới được ghi lại bởi các detector siêu nhạy. Theo phương trình nổi tiếng E=mc² của Einstein, năng lượng càng lớn sẽ tạo ra các hạt có khối lượng càng lớn, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu những hạt cơ bản nhất của vũ trụ.

Máy gia tốc hạt lớn LHC

Thành tích lớn nhất của LHC đến vào năm 2012 khi các nhà khoa học sử dụng nó để phát hiện ra sự tồn tại của hạt Higgs boson, một hạt cơ bản với những tính chất lượng tử cực kỳ phức tạp, về cơ bản chịu trách nhiệm tạo ra khối lượng cho tất cả các hạt khác trong vũ trụ. Phát hiện này đã củng cố Mô hình Chuẩn của vật lý hạt và mở ra những hiểu biết mới về cấu trúc cơ bản của vật chất.

Bắt đầu từ tháng 6 năm nay, các kỹ sư sẽ tắt LHC để tiến hành nâng cấp lớn nhằm biến nó thành High-Luminosity LHC. Dự án tham vọng này sẽ mất khoảng 5 năm để hoàn thành, với CERN - tổ chức liên chính phủ vận hành máy gia tốc - không kỳ vọng thiết bị sẽ hoạt động trở lại cho đến giữa năm 2030.

Đây là khoảng thời gian dừng hoạt động khổng lồ đối với một công cụ khoa học quan trọng như vậy, nhưng sự nâng cấp được coi là cần thiết để đẩy ranh giới của vật lý hạt tiến xa hơn nữa.

Công việc nâng cấp tập trung vào việc lắp đặt các nam châm siêu dẫn mới để nén các chùm proton và làm chúng sáng hơn, từ đó tăng số lượng va chạm hạt lên gấp 10 lần so với hiện tại. Các đầu dò cũng được tăng cường đáng kể, giúp chúng có khả năng tốt hơn trong việc bắt các dấu hiệu tinh vi của vật lý mới mà các va chạm có thể tiết lộ. Mục tiêu là tạo ra nhiều dữ liệu hơn và chất lượng cao hơn cho các thí nghiệm, mở ra cơ hội phát hiện những hiện tượng mà phiên bản hiện tại của LHC có thể bỏ lỡ.

Một phần đường ống của máy gia tốc hạt

Mặc dù máy sẽ ngừng hoạt động, các nhà vật lý sẽ không thiếu việc để làm. LHC hiện đang chạy xuất sắc và ghi lại lượng dữ liệu khổng lồ mỗi ngày. Khối lượng thông tin này sẽ đủ để các nhà khoa học phân tích trong suốt năm năm tới, với các kết quả vật lý mới dự kiến sẽ tiếp tục được công bố đều đặn.

Dữ liệu từ các va chạm đã được ghi lại có thể chứa đựng manh mối về những hiện tượng chưa được phát hiện, đòi hỏi nhiều năm nghiên cứu kỹ lưỡng để làm sáng tỏ.

Sau khi nâng cấp hoàn thành, High-Luminosity LHC sẽ có khả năng thực hiện các phép đo chính xác hơn nhiều về các hạt và tương tác của chúng. Điều này có thể giúp tìm ra những vết nứt trong các lý thuyết vật lý ngày nay, trở thành nền tảng cho những lý thuyết mới vào ngày mai.

Một trong những bí ẩn còn lại xoay quanh chính hạt Higgs boson mà LHC đã phát hiện ra. Mặc dù biết rằng các hạt cơ bản có được khối lượng từ Higgs, nhưng lý do tại sao khối lượng của chúng lại khác nhau như vậy vẫn là điều không ai giải thích được.

Thậm chí, các nhà khoa học cũng chưa rõ các hạt Higgs boson tương tác với nhau như thế nào. Có khả năng LHC nâng cấp sẽ phát hiện ra "điều gì đó hoàn toàn bất ngờ" mà không ai dự đoán trước được.

Nhưng tương lai xa hơn của LHC cũng đang được bàn luận. Cỗ máy này dự kiến kết thúc vòng đời vào khoảng năm 2041, và các nhà khoa học đang lên kế hoạch cho người kế nhiệm của nó. Ứng viên hàng đầu là Future Circular Collider (FCC), một cỗ máy khổng lồ với đường kính đề xuất lên tới 91 km - hơn ba lần kích thước của LHC.

Ống ngầm mới sẽ phải được đào sâu tới 400 mét dưới lòng đất, tạo nên một công trình kỹ thuật tham vọng chưa từng có. Chi phí ước tính cho chỉ riêng giai đoạn đầu tiên đã lên tới 15 tỷ franc Thụy Sĩ, tương đương khoảng 19 tỷ USD.

Tuy nhiên, số phận của FCC vẫn còn rất bất định. Chi phí khổng lồ này quá sức với ngân sách của CERN, và dự án cần sự đóng góp từ nhiều nước khác. Các nước thành viên sẽ bỏ phiếu về dự án vào năm 2028, nhưng quyết định sẽ không dễ dàng. Một cuộc tranh luận đang diễn ra gay gắt về việc liệu các máy gia tốc hạt khổng lồ có còn là cách tốt nhất để khám phá những câu hỏi lớn nhất trong khoa học hay không.