Chân không tác động như thế nào đến máy va chạm hạt lớn nhất và mạnh nhất thế giới Ngày 19 tháng 10 năm 2020
3 MIN READ
Nằm sâu bên dưới biên giới Franco-Thụy Sĩ là một vòng kim loại và nam châm khổng lồ: máy va chạm Hadron lớn (LHC), máy va chạm hạt lớn nhất và mạnh nhất thế giới.
Nằm ngầm 100 mét tại CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), LHC được tạo thành từ một vòng siêu dẫn điện dài 27 km. Bộ gia tốc của máy va chạm cho phép hai chùm tia hạt năng lượng cực cao di chuyển theo hướng ngược lại với tốc độ gần với ánh sáng trước khi va chạm với nhau.
Chân không bên trong máy va chạm hadron lớn
Một va chạm thành công và mạnh mẽ đòi hỏi phải duy trì mức chân không siêu cao trong khi LHC đang hoạt động. Sau đây là tổng quan về các hệ thống chân không sơ cấp được sử dụng trong máy va chạm.
Chân không dầm
Va chạm liên quan đến hai hạt được "chùm tia" ở tốc độ cao theo các hướng ngược lại, với mỗi hạt trong ống riêng. Hai ống này phải được giữ ở mức chân không cực cao để tối đa hóa thời gian chùm tia và duy trì áp suất thấp cho các thí nghiệm. Điều này được thực hiện bằng cái gọi là chân không chùm tia.
Hai cơ chế bơm được sử dụng để đạt được điều này:
- Bơm lạnh: các phân tử khí còn lại được hấp thụ vật lý vào bề mặt lỗ lạnh ở nhiệt độ 1,9 K
- Bơm getter không bay hơi (NEG): các phân tử khí còn lại được hấp thụ hóa học trên bề mặt của ống chùm tia
Chân không cách điện
Nam châm siêu dẫn của LHC được làm mát bằng heli lỏng đến nhiệt độ 1,9 K (khoảng -271 °C). LHC sử dụng chân không mạnh để cách nhiệt nam châm và do đó duy trì nhiệt độ cực thấp cần thiết cho va chạm thành công.
Bơm bên trong máy va chạm hadron lớn
Các công nghệ bơm chính được sử dụng trong máy va chạm là:
Máy bơm ion
Bơm ion là một loại bơm chân không hoạt động bằng cách phún xạ một bộ thu kim loại.
Bơm phân tử turbo
Bơm turbo phân tử hoạt động trên nguyên tắc các phân tử khí có thể được tạo ra để trải qua các va chạm lặp đi lặp lại với bề mặt rắn chuyển động để đạt được động lực theo hướng mong muốn.
Cả hai hệ thống bơm phải có khả năng chịu được mức bức xạ và từ trường cao.
Những thách thức tiềm ẩn trong việc bảo trì
Một thách thức lớn phải đối mặt khi lắp ráp LHC là phát hiện rò rỉ: phải đảm bảo độ kín để vận hành đáng tin cậy các hệ thống chân không lớn.
Rò rỉ có thể khiến áp suất cơ sở tăng lên trên hoặc giảm xuống dưới mức yêu cầu, dẫn đến nhu cầu làm lại đáng kể - và tốn kém.
Nâng cấp trong tương lai và máy va chạm hadron lớn có độ sáng cao
LHC hiện đang được nâng cấp và người kế nhiệm của nó sẽ được gọi là High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC). Các nâng cấp bắt đầu vào tháng 6 năm 2018 và dự kiến sẽ hoàn thành vào năm 2027. Những thay đổi này dự kiến sẽ tăng phạm vi phát hiện các hạt mới khoảng 20-30% so với LHC hiện tại và cũng kéo dài tuổi thọ của LHC đến năm 2040.
