Bài tập lớn môn Vật lí - Đề tài: Từ trường và máy gia tốc hạt - Ngô Tiến Đạt

vì nó có thể dẫn đến những khám phá mới, hoàn chỉnh vật lý hạt. Một số nhà lý thuyết nói rằng nó có thể mang ánh sáng đến cho toàn bộ những dạng tương tác mạnh mới, và số khác tin tương rằng việc nghiên cứu sẽ khám phá ra một vật lý cơ bản đối xứng mang tên "siêu đối xứng".
Trước hết, các nhà khoa học muốn xác định phải chăng Higg boson thực sự tồn tại? Quá trình tìm kiếm đã bắt đầu từ hơn 10 năm trước, tại cả hai phòng nghiên cứu CERN tại Geneva và Fermilab ở Illinois. Để tìm kiếm các hạt này, các nhà nghiên cứu phải phá vỡ (smash) những hạt khác với nhau ở vận tốc cực lớn. Nếu năng lượng từ sự va chạm này đủ lớn, nó có thể chuyển sang những hạt vật chất nhỏ hơn - có thể là Higgs boson. Những hạt này chỉ tồn tại ở một thời gian ngắn, sau đó tan rã (decay) sang các hạt khác. Vì thế, để chứng minh cho sự xuất hiện của hạt Higgs trong sự va chạm, các nhà nghiên cứu phải tìm được bằng chứng dựa vào các hạt nó sẽ tan rã ra.
Chứng minh thực nghiệm:
Tìm trạng thái lỗ đen lượng tử:
Lỗ đen là một giả thuyết hệ quả từ thuyết tương đối rộng của Einstein. Khi khối lượng tích tụ với mật độ khổng lồ quá một giới hạn nào đó thì sức hút (lực hấp dẫn) sẽ làm cho quá trình nén tiếp tục và tạo ra một điểm không gian đặc biệt, giống như lỗ hút của một máy hút bụi công suất cao, khiến cho tất cả vật chất đi đến gần nó đều bị hút tụt vào trong. Ngay cả lượng tử ánh sáng cũng chịu chung số phận, và ta chỉ có ánh sáng “chiếu” vào trong, mà không có ánh sáng phát ra ngoài. Lý do đó làm cho điểm kỳ dị trở thành tối tăm, không thể nhìn thấy và được mang tên là lỗ đen hoặc hốc đen.
 Cụ thể, khi 2 proton ép sát vào nhau, nó giống như khi xảy ra sự nén làm tăng mật độ vật chất hạt nhân vượt trên giới hạn tạo ra lực hút của “lỗ đen”
Vật chất tối:
 Trong vật lý thiên văn, thuật ngữ vật chất tối chỉ đến một loại vật chất giả thuyết trong vũ trụ, có thành phần chưa hiểu. Vật chất tối không phát ra hay phản chiếu đủ bức xạ điện từ để có thể quan sát được bằng kính thiên văn hay các thiết bị đo đạc hiện nay, nhưng có thể nhận nó ra vì những ảnh hưởng hấp dẫn của nó đối với chất rắn và hoặc các vật thể khác cũng như với toàn thể vũ trụ. Dựa trên hiểu biết hiện nay về những cấu trúc lớn hơn thiên hà, cũng như các lý thuyết được chấp nhận rộng rãi về Vụ Nổ Lớn, các nhà khoa học nghĩ rằng vật chất tối là thành phần cơ bản chiếm tới 70% vật chất trong vũ trụ.
Các nhà khoa học đã nhận ra một số hiện tượng mà phù hợp với sự tồn tại của vật chất tối, bao gồm tốc độ quay của các thiên hà và tốc độ quỹ đạo của những thiên hà trong cụm; thấu kính hấp dẫn các thiên thể phía sau bởi những cụm thiên hà như là Bullet Cluster; và kiểu phân phối nhiệt độ của khí nóng ở các thiên hà và cụm thiên hà. Vật chất tối cũng có vai trò quan trọng đối với sự tạo thành cấu trúc và sự tiến hóa thiên hà, và có ảnh hưởng đo được đến tính không đẳng hướng (anisotropy) của bức xạ phông vi sóng vũ trụ. Các hiện tượng này chỉ rằng vật chất quan sát thấy được trong các thiên hà, các cụm thiên hà, và cả vũ trụ mà có ảnh hưởng đến bức xạ điện từ chỉ là một phần nhỏ của tất cả vật chất: phần còn lại được gọi là "thành phần vật chất tối".
MÁY GIA TỐC LHC:
Định nghĩa:
Máy gia tốc LHC: Chiếc máy gia tốc hạt LHC, tức Large Hadron Collider (hệ gia tốc đối chùm hadron khổng lồ)
Thiết bị dùng điện trường và từ trường để tăng tốc các hạt tích điện. Máy gia tốc vòng,kiểu Synchrotrons: quĩ đạo của các hạt là đường tròn. Được thiết kế để tạo va chạm trực diện giữa các tia proton (một trong các loại hạt cơ bản) với động năng cực lớn. 
Giới thiệu chung:
Máy gia tốc hạt LHC là máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới hiện nay được chế tạo bởi CERN[ CERN: European Organization for Nuclear Research or Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire in French. Tổ chức nghiên cứu hạt nhân Châu Âu
], có chu vi là 26 659 m và nằm sâu 100m dưới lòng đất tại khu vực biên giới Pháp - Thụy Sĩ giữa núi Jura và dãy Alps gần Genève, Thụy Sĩ. 
Dự án được cung cấp kinh phí và chế tạo với sự tham gia cộng tác của trên 8000 nhà vật lý của 15 quốc gia (1/2 tổng số chuyên gia lĩnh vực này của toàn thế giới) cũng như hàng trăm trường đại học và phòng thí nghiệm. Nhiều nước đã đóng góp tài chính cho LHC (Nhật Bản từ năm 1995, rồi Ấn Độ, Nga, Canada, Trung Quốc, Mỹ...)
Theo một bài báo của cựu giám đốc điều khiển CERN khoa học gia Chris Llewellyn Smith trong tạp chí Nature vào tháng 7 năm 2007, ý tưởng xây dựng LHC trong cùng một đường hầm với LEP được bắt đầu từ năm 1977, chỉ vỏn vẹn 2 năm sau khi dự án cho LEP được đề cử.  
Mục đích :[THE END
]
 Được thiết kế tạo va chạm trực diện giữa các tia proton với động năng cực lớn. Mục đích chính của nó là phá vỡ những giới hạn và mặc định của mô hình chuẩn- những lý thuyết cơ bản hiện thời của vật lí hạt. Trên lý thuyết, chiếc máy này được cho là sẽ chứng minh được sự tồn tại của hạt Higgs, những kết quả nghiên cứu từ chiếc máy này có thể chứng minh những dự đoán từ trước cũng như những liên kết còn thiếu trong mô hình chuẩn, và giải thích được những hạt sơ cấp khác có được những đặc tính như khối lượng như thế nào.
 Nói cách khác nó trả lời cho các câu hỏi:
Hướng phát triển của vũ trụ từ lúc bắt đầu đến nay như thế nào?
Chúng ta đang sống trong loại vũ trụ nào?
Chuyện gì đã xảy ra trong vụ nổ Big Bang?
Phản vật chất ở đâu?
Tại sao hạt có khối lượng?
Vũ trụ của chúng ta được tạo ra bởi cái gì?
Thiết kế
Cấu trúc cơ bản
 Chiếc máy được chứa trong một đường hầm vòng tròn với chu vi 27 km, nằm ở độ sâu từ 50 đến 175 m dưới mặt đất. Đường kính hầm là 3,8 m, có cấu trúc bê tông, được xây dựng trong các năm từ 1983 đến 1988. Đường hầm có 4 điểm chạy cắt qua biên giới Pháp- Thuy Sĩ, với phần lớn năm trên nước Pháp. Trên mặt công trình bao gồm rất nhiều thiết bị hỗ trợ như máy nén, quạt gió, các thiết bị điện tử điều khiển và các thiết bị làm mát.
Cấu trúc chi tiết
 Đường hầm chứa LHC có hai đường dẫn tia hạt song song sát nhau, giao nhau ở 4 điểm, mỗi đường sẽ chứa một tia proton, được lưu chuyển vòng quanh vòng tròn từ hai hướng ngược nhau. Có 1.232 nam châm lưỡng cực giữ cho các tia đi đúng đường tròn, thêm vào đó là 392 nam châm tứ cực được dùng để giữ các tia luôn hội tụ, để làm cho cơ hội va chạm dòng hạt ở 4 điểm giao nhau là cao nhất. Tổng cồng có trên 1.600 nam châm siêu dẫn được trang bị, với chiếc nặng nhất lên tới hơn 27 tấn. Cần tới khoảng 96 tấn heli lỏng để giữ các nam châm hoạt động ở nhiệt độ 1,9 độ K, khiến cho LHC trở thành thiết bị siêu lạnh lớn nhất thế giới với nhiệt độ của heli lỏng.
Bộ phân tích
Sáu bộ phân tích đã được xây dựng trong hệ thống của LHC, nằm trong những hang lớn bên dưới mặt đất được đào tại các điểm giao của LHC. 
Hai bộ phân tích hạt đa mục đích có kích thước lớn: ATLAS experiment( A Toroidal LHC Apparatus ) và Compact Muon Solenoid (CMS).
 Hai bộ A Large Ion Collider Experiment (ALICE) và LHCb( LHC-beauty) có các chức năng riêng biệt hơn.
 Và hai bộ còn lại nhỏ hơn nhiều là TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation)và LHCf (LHC-forward) dành cho các nghiên cứu chuyên môn đặc biệt. 
ATLASCMS
ALICE 
 LHCb
ATLAS - sẽ được sử dụng để tìm kiếm những dấu hiệu vật lý học mới, bao gồm nguồn gốc của khối lượng và các chiều phụ trợ. 
CMS - sẽ lùng sục các hạt Higgs và tìm kiếm những manh mối về bản chất của vật chất tối. 
ALICE – sẽ nghiên cứu một dạng "lỏng" của vật chất gọi là quark-gluon plasma, dạng tồn tại rất ngắn sau Vụ nổ lớn. 
LHCb – so sánh những lượng vật chất và phản vật chất được tạo ra trong Vụ nổ lớn. LHCb sẽ cố gắng tìm hiểu chuyện gì đã xảy ra đối với phản vật chất "bị thất lạc". 
Vận hành
 Trước khi được đưa vào bộ gia tốc chính, các hạt được đi qua một chuỗi hệ thống tuần tự làm tăng năng lượng của chúng. Hệ thống đầu tiên là máy gia tốc hạt tuyến tính Linac 2 gia tốc các proton lên động năng 50 MeV, sau đó được đưa vào máy Proton Synchrotron Booster. Các proton tại đó được tăng tốc lên 1.4 GeV rồi được dẫn vào máy Proton Synchrotron (PS), ở đây chúng đạt động năng 26 GeV. Cuối cùng máy Super Proton Synchrotron(SPS) được dùng để tăng năng lượng của chúng lên 450 GeV trước khi dẫn vào (qua một giai đoạn 20 phút) vòng tròn chính. Tại đây các chùm proton được tích lũy và tăng tốc lên năng lượng đỉnh là 7 TeV, cuối cùng chúng được dự trữ trong 10 đến 24 tiếng trong khi các va chạm xảy ra tại 4 giao điểm. 
 Khi chùm hạt đi vào bộ gia tốc chính từ trường trong ống sẽ tăng từ 0.54 đến 8.3 Tesla .Từ trường này sẽ liên tục tắt bật cực nhanh để quay các hạt cho đến khi chúng đạt siêu vận tốc (288000 km/s rất gần vận tốc ánh sáng) Các chùm hạt được gia tốc đến năng lượng 7 TeV. Hai chùm hạt được tăng tốc từ hai hướng đối lập nhau trong ống và cho chúng va đâp vào nhau thì năng lượng va chạm cỡ 14TeV. Có khoảng 2808 chùm proton được gia tốc với khoảng cách thời gian từ 75ns đến 25ns (vì thời gian va chạm luôn lớn hơn 25ns)
 Ta có thể hình dung mỗi sự va chạm trong LHC giống như : Đàn 14 con muỗi sinh ra tức thời trong không gian nhỏ hơn 1/1000 tỉ lần so với cơ thể một con muỗi.
 KHẢ NĂNG CỦA LHC là : Nhét nguồn năng lượng của 7 000 000 000 000 con muỗi vào 1/1000000 diện tích một con muỗi. 
 Những cú xốc proton trong máy gia tốc LHC sẽ giải phóng hơi nóng mạnh gấp 100 000 lần hơi nóng của tâm mặt trời và sẽ dò tìm ra hạt Higgs cũng như nhiều kết quả bất ngờ khác mà các nhà khoa học đang mong đợi 
Thông tin
 Tổng chi phí cho dự án được yêu cầu ở mức từ 3,2 đến 6,4 tỷ € (EURO). Công trình xây dựng mang tên LHC được đồng ý vào năm 1995 với kinh phí là 2,6 tỷ franc Thụy Sĩ (1,6 tỷ €), công với 140 triệu € cho các nghiên cứu. Tuy nhiên, chi phí đã tăng lên, theo ước lượng năm 2001, máy gia tốc cần chi phí 300 triệu € (480 triệu franc), và các thí nghiệm cần 30 triệu € (50 triệu franc), cùng với việc cắt giảm chi phí của CERN, thời gian dự kiến hoàn thành cũng chuyển từ năm 2005 sang tháng 4 năm 2007. Những nam châm siêu dẫn cần mức giá tăng thêm là 120 triệu € (180 triệu franc). Ngoài ra còn có nhiều trở ngại như việc xây một hang ngầm cho chiếc máy Compact Muon Solenoid.