Giải thích về các hệ thống chân không chính của CERN Ngày 14 tháng 12 năm 2018

Nghiên cứu vật lý hạt được thực hiện trong các máy được gọi là máy tăng tốc hạt (hoặc máy va chạm hạt). Những máy này sử dụng trường điện từ khổng lồ để tăng tốc các hạt proton đến tốc độ gần với tốc độ ánh sáng, tập trung chúng vào một chùm tia mịn, và sau đó theo dõi vật chất phát sinh từ va chạm của chúng với các hạt khác.

Máy gia tốc hạt lớn nhất và mạnh nhất thế giới, máy va chạm Hadron lớn (LHC) bắt đầu hoạt động vào năm 2008 và được điều hành bởi CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), trung tâm hợp tác quốc tế hàng đầu thế giới về nghiên cứu hạt nhân.

Một trong những hoạt động chính của CERN là tiến hành va chạm hạt như vậy trong một loạt đường hầm biên giới Pháp và Thụy Sĩ.

Những đường hầm này (và các thiết bị và nhà máy liên quan) hoạt động như một phòng thí nghiệm nghiên cứu hạt nhân quy mô đầy đủ, trong đó proton là chất tăng tốc xung quanh vòng 27 km sử dụng làm mát lạnh, và nam châm siêu dẫn được giữ ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ trong không gian bên ngoài.

Các chùm tia proton tốc độ cao này được dẫn vào buồng phát hiện, nơi chúng va chạm với "đám mây" proton trong chân không siêu cao. "Vật liệu kỳ lạ" phát sinh từ sự va chạm này có tuổi thọ ngắn, nhưng tuy nhiên, các sản phẩm phân hủy có thể cho chúng ta biết về các khối xây dựng có kích thước dưới nguyên tử từ đó tạo thành vật lý cơ bản tạo nên và kiểm soát hầu hết mọi thứ trong vũ trụ của chúng ta. 

Trong những năm qua, CERN đã phát triển thông qua nhiều nâng cấp. Mỗi sự phát triển đều dựa trên những thành công của các giai đoạn trước đó. Mỗi lần lặp lại phản ánh các mục tiêu đầy tham vọng hơn của CERN, vì các mục tiêu trước đó đã đạt được và các nhà khoa học vẫn có được cái nhìn sâu sắc hơn về thế giới hấp dẫn của các hạt phụ nguyên tử.

Nâng cấp gần đây nhất của câu chuyện CERN là LHC độ sáng cao (HL-LHC), tập trung (trong số những thứ khác) vào nguyên tắc có thể đạt được nhiều va chạm hơn khi các chùm tia hạt va chạm từ phía trước, chứ không phải theo một góc. Sự thay đổi định hướng này sẽ tạo ra nhiều va chạm hạt hơn, và do đó nhiều dữ liệu hơn để giúp các nhà khoa học khám phá nhiều bí ẩn hơn nữa về vũ trụ.

Mặc dù LHC có thể xử lý một tỷ va chạm proton mỗi giây, nhưng HL-LHC được nâng cấp nhằm mục tiêu tăng gấp bảy lần con số này, từ đó tăng gấp mười lần số liệu thu thập được. Điều này sẽ đạt được bằng cách tập trung chùm tia của proton tuần hoàn chặt chẽ hơn nữa bằng cách sử dụng một ngân hàng mới gồm 120 nam châm, bao gồm 24 tứ cực siêu dẫn và bốn lưỡng cực siêu dẫn. Những nam châm mới này làm tăng cường độ trường từ 8,1 đến 11,5 Tesla. Công việc này sẽ được hoàn thành sớm nhất vào năm 2026.

LHC, cùng với các máy dò và các thí nghiệm quan trọng khác tại CERN, yêu cầu điều kiện chân không siêu cao trong khi hoạt động. Các hệ thống chân không chính của CERN là chân không chùm tia và chân không cách điện cho nam châm siêu dẫn mạnh. 

Chân không chùm tia cần ở mức chân không siêu cao để cung cấp tuổi thọ chùm tia tốt và nền thấp cho các thí nghiệm. Cả hai cơ chế bơm đông lạnh (trong đó các phân tử khí dư được hấp thụ vật lý trên bề mặt lỗ nguội ở 1,9 K) và bơm không bay hơi (NEG) (trong đó các phân tử khí dư được hấp thụ hóa học trên bề mặt ống dầm) đều được sử dụng.

Chân không cách điện của nam châm siêu dẫn, được làm mát bằng heli lỏng đến 1,9 K (khoảng -271 °C), cần đảm bảo cách nhiệt tốt cho hệ thống làm mát để duy trì nhiệt độ thấp.

Các công nghệ bơm chân không cao và siêu cao chính được sử dụng trong LHC là bơm ion và bơm turbo phântử, cũng phải đối phó với những thách thức vận hành cụ thể như khả năng dung nạp bức xạ và từ trường cao.

Để vận hành các hệ thống chân không lớn như vậy một cách đáng tin cậy, độ kín cũng cần được đảm bảo. Việc phát hiện rò rỉ trong quá trình lắp ráp LHC chắc chắn là thách thức lớn nhất đối với các nhà phát triển và người vận hành máy dò rò rỉ. Chưa bao giờ có quá nhiều khớp được kiểm tra trong một máy! 

Nâng cấp từ LHC lên HL-LHC sẽ dẫn đến tăng 20-30% phát hiện hạt mới, cũng như đảm bảo tính khả thi của toàn bộ dự án LHC đến năm 2040.