CERN hoạt động như thế nào

Hơn 40 năm trước, nhà vật lý lý thuyết người Anh Peter Higgs và các đồng nghiệp của ông đã đề xuất rằng hạt cơ bản đặc biệt này và trường liên kết của nó là lý do tại sao vật chất có khối lượng. Khi các nhà khoa học xác nhận lý thuyết của Higgs vào thế kỷ 21, nó đã mở ra một cánh cửa về cách vũ trụ vận hành, mà Einstein và nhiều người khác đã dành cả cuộc đời để nghiên cứu.

Khám phá đại diện cho một thành công của khoa học. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra điều này không phải bằng cách nhìn qua kính viễn vọng, phân tích dữ liệu thu thập được từ tàu vũ trụ hoặc thậm chí thực hiện một trong những thí nghiệm tư tưởng nổi tiếng của Einstein . Họ đã tìm thấy hạt Higgs qua nhiều thập kỷ nghiên cứu miệt mài tại các máy va chạm trên khắp thế giới, đặc biệt là CERN ở Geneva, Thụy Sĩ. CERN là viết tắt của Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (hay Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu).

Nghiên cứu của họ đã rất vất vả vì tuổi thọ của hạt Higgs là rất ngắn. Nó vỡ thành các hạt nhỏ hơn trong thời gian ngắn hơn nhiều so với thời gian chớp mắt. Các nhà khoa học đã phải kiễng chân để phát hiện hạt Higgs. Thông qua thử nghiệm và sai lầm, hưng phấn và tuyệt vọng, các nhà khoa học tại CERN đã chi 10 tỷ đô la trong nhiều thập kỷ để theo đuổi hạt khó nắm bắt [nguồn: Overbye ].

Khám phá đưa CERN lên trang nhất. Tuy nhiên, hầu hết mọi người vẫn không biết những gì các nhà khoa học tại CERN thực sự làm. Chúng tôi có thể giúp với điều đó.

1. Bên trong CERN
2. Hadron (Máy va chạm) tại Trái tim
3. Phân tích dữ liệu CERN: Bây giờ đó là một công việc lớn

CERN đã xuất hiện từ những năm 1950. Nhớ lại rằng vào cuối Thế chiến thứ hai , châu Âu là một mớ hỗn độn và cộng đồng khoa học của nó trở nên hỗn loạn. Các nhà khoa học ở Hoa Kỳ, bao gồm nhiều người đến từ châu Âu, đã dẫn đầu trong lĩnh vực vật lý. Năm 1949, nhà vật lý lượng tử người Pháp Louis de Broglie đề xuất rằng châu Âu cố gắng giành lại vinh quang khoa học của mình bằng cách tạo ra một phòng thí nghiệm vật lý nguyên tử đa quốc gia.

Vài năm sau, CERN ra đời và được xây dựng ngay bên ngoài Geneva. 12 quốc gia thành lập bao gồm Bỉ, Đan Mạch, Pháp, Tây Đức, Hy Lạp, Ý, Hà Lan, Na Uy, Thụy Điển, Thụy Sĩ, Vương quốc Anh và Nam Tư. Tính đến tháng 1 năm 2014, 21 quốc gia, bao gồm cả Israel, Ba Lan và Phần Lan, là thành viên của CERN và mỗi quốc gia có hai vị trí trong hội đồng CERN, cơ quan ra quyết định, nhưng chỉ có một phiếu biểu quyết về các quyết định đó. Tổng giám đốc của CERN, Rolf Heuer vào năm 2014, về cơ bản hoạt động như một nhà lãnh đạo.

Hoa Kỳ không phải là một thành viên mà là một quốc gia quan sát viên , nghĩa là một quốc gia có thể tham dự các cuộc họp và nhận thông tin nhưng không bỏ phiếu về các vấn đề của CERN [nguồn: CERN ]. (Nói về Hoa Kỳ, nó đã đóng góp 531 triệu đô la cho việc xây dựng một số thành phần LHC.)

Công việc của CERN là tìm hiểu cách vũ trụ hoạt động. Không có gì to tát, phải không? Các nhà khoa học đã quyết định cách tốt nhất để hoàn thành nhiệm vụ hoành tráng này là chế tạo những cỗ máy khổng lồ có thể đập các hạt hạ nguyên tử vào nhau . Hy vọng rằng những cái gọi là máy đập nguyên tử này sẽ giúp các nhà nghiên cứu có cái nhìn thoáng qua về thời điểm ngay sau khi vũ trụ ra đời. Theo đó, CERN bắt đầu chế tạo máy gia tốc đầu tiên của mình vào năm 1957, Synchrocyclotron, nó bị rơi và tan nát trong suốt 33 năm phục vụ. CERN hiện đang vận hành một số máy gia tốc và một máy giảm tốc trong một tổ hợp tòa nhà nằm giữa biên giới Thụy Sĩ và Pháp. Chi phí của các thử nghiệm được phân bổ ở các quốc gia thành viên [nguồn: Exploratorium , CERN ].

Đến năm 2014, 2.400 nhân viên toàn thời gian và 1.500 nhân viên bán thời gian, đang làm việc tại CERN, trong khi hơn 600 học viện và trường đại học được phép sử dụng cơ sở vật chất của nó để bắt đầu làm sáng tỏ một loạt bí ẩn, chẳng hạn như phản vật chất , lỗ đen và các sự kiện xảy ra trong tích tắc sau Vụ nổ lớn . Hơn nữa, 10.000 nhà khoa học từ 113 quốc gia - một nửa số nhà vật lý hạt trên hành tinh - ghé thăm CERN để nghiên cứu mỗi năm. Và không chỉ các nhà khoa học. Mọi người làm nhiều công việc khác nhau bao gồm kỹ sư, nhà vật lý thực nghiệm và thậm chí cả kế toán. Các nhà khoa học từ các quốc gia thành viên có được vết nứt đầu tiên tại một vị trí, mặc dù các nhà khoa học cấp cao từ các quốc gia khác luôn được coi là [nguồn: Exploratorium , CERN ].

Kết nối thế giới

Năm 1989, Tim Berners-Lee, một nhà khoa học người Anh, đã giúp phát minh ra World Wide Web bằng cách phát triển giao thức truyền siêu văn bản, hay còn gọi là http. Berners-Lee rất muốn tạo ra một mạng lưới các máy tính tương tác để các nhà khoa học trên toàn thế giới có thể chia sẻ dữ liệu [nguồn: CERN ].

Trung tâm của CERN là máy gia tốc hạt lớn nhất và mạnh nhất thế giới, một máy đập nguyên tử được gọi là Máy va chạm Hadron Lớn (LHC). (Nó lớn đến nỗi nó có một bài báo riêng .) LHC được làm bằng một vòng nam châm siêu dẫn dài 17 dặm (27 km) và một loạt máy gia tốc bắn các hạt năng lượng cao qua thiết bị giống như một viên đạn xuyên qua súng. . Nằm cách mặt đất 328 feet (100 mét), máy va chạm bắn ra một chùm proton theo một hướng, trong khi một chùm khác truyền theo hướng ngược lại.

Kaboom ! Kablam ! Splat !

Sử dụng bất kỳ câu cảm thán nào bạn muốn. Ở tốc độ tối đa, các hạt đập thành từng hạt với tốc độ 99,9999991 phần trăm tốc độ ánh sáng [nguồn: CERN ]. Mỗi khi các proton đập vào nhau, nó sẽ tạo ra một sự phun phức tạp của các hạt khác. Nhiều hạt trong số đó tồn tại chưa đầy một giây nhưng để lại dấu vết của những mảnh vụn bánh mì hạ nguyên tử mà các nhà khoa học có thể theo dõi. Để lần theo dấu vết đó, các nhà khoa học dựa vào hai máy dò rất phức tạp, cho phép họ nhìn thấy các khối cấu tạo cơ bản của vũ trụ của chúng ta.

Một trong những máy dò đó là ATLAS. Cỗ máy dài khoảng 148 foot (45 mét) và cao 82 foot (25 mét) đã giúp tìm ra hạt Higgs. ATLAS lớn bằng một nửa Notre Dame (nhà thờ, không phải trường đại học) và nặng bằng Tháp Eiffel (một ở Paris, không phải Las Vegas). Các nhà khoa học của CERN sử dụng ATLAS và các công cụ dò tìm khác (ALICE, CMS, LHCb, LHCf) để nghiên cứu những thứ bạn chỉ đọc trong sách khoa học viễn tưởng , chẳng hạn như liệu các chiều không gian khác có tồn tại hay không; loại lực hợp nhất nào có thể có trong vũ trụ; và nếu có bằng chứng về vật chất tối . Chỉ có hai máy dò, ATLAS và CMS, được dành để giải quyết bí ẩn boson Higgs. Tất cả các thí nghiệm tại LHC đều khác biệt và được điều hành bởi một nhóm các nhà khoa học cộng tác trên toàn thế giới [nguồn: ATLAS , CERN].

Đập các hạt vào nhau với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng là một chuyện; diễn giải dữ liệu từ những va chạm đó là một việc khác. Các hạt va chạm trong LHC gần 600 triệu lần một giây [nguồn: Sakai ]. Thông tin phun ra từ những vụ va chạm đó có thể cho chúng ta biết khối lượng về hoạt động bên trong của nguyên tử và các lực giữ nguyên tử lại với nhau, nhưng chúng ta chắc chắn không thể ghi lại tất cả thông tin từ các máy dò. Nếu CERN làm như vậy, thì ATLAS chẳng hạn, có thể lấp đầy 100.000 đĩa CD với dữ liệu mỗi giây. Thay vào đó, ATLAS, giống như các máy dò khác, chỉ có thể ghi lại một "smidgen" thông tin, khoảng đủ để đưa vào 27 đĩa CD mỗi phút [nguồn: ATLAS ].

Mặc dù con số đó chỉ là một phần của thông tin có sẵn, nhưng nó vẫn là một số lượng quá lớn. Các máy dò chuyển những gì họ tìm thấy đến Trung tâm Dữ liệu CERN, nơi các kỹ thuật viên và nhà nghiên cứu sử dụng máy tính để tái tạo kỹ thuật số từng vụ va chạm. Trong quá trình tái tạo, các nhà khoa học đưa lý thuyết của họ về cách các hạt hoạt động để thử nghiệm. Họ so sánh các va chạm được mô phỏng trên máy tính với các va chạm thực tế. Sự chênh lệch giữa hai điều này có thể chỉ ra một nền khoa học mới, một thứ gì đó đã không được giải thích [nguồn: Sakai ].

Mỗi ngày, trung tâm dữ liệu xử lý một petabyte thông tin. Cần 223.000 DVD để chứa tất cả thông tin trong một petabyte [nguồn: McKenna ]. Để làm cho mọi thứ trở nên khó khăn hơn, các nhà khoa học nghiên cứu 30 petabyte mỗi năm, điều này khiến cho việc tìm kiếm khoa học mới trở nên vô cùng khó khăn [nguồn: CERN , McKenna ].

Với những con số đáng kinh ngạc đó, trung tâm dữ liệu của CERN không thể tự mình xử lý những con số như vậy. Thay vào đó, các nhà khoa học dựa vào mạng máy tính lớn nhất hành tinh, Worldwide LHC Computing Grid, một hiệp hội gồm 170 trung tâm máy tính ở 40 quốc gia. Lưới được quảng cáo là "hệ thống phân tích và lấy dữ liệu phức tạp nhất từng được xây dựng cho khoa học." Nó chạy hơn 2 triệu công việc mỗi ngày và có thể truyền 10 gigabyte dữ liệu từ các máy chủ của nó mỗi giây. Nếu không có lưới điện, boson Higgs có thể đã không được khám phá [nguồn: WLCG ].

Về phần Einstein, ông ta sẽ chôn chân dưới mồ nếu ông ta biết chuyện gì đang xảy ra ở CERN - nghĩa là, nếu bạn bè ông ta không rải tro cốt của ông ta trên sông Delaware vào năm 1955.

Kỳ nghỉ nguyên tử

Nếu bạn đã từng đi nghỉ ở Geneva, bạn có thể tham quan CERN miễn phí, nhưng hãy nhớ truy cập trang web trước và gửi yêu cầu. Đừng quên hộ chiếu hoặc chứng minh nhân dân. Ngoài ra, hãy để con bạn dưới 13 tuổi (đối với các chuyến du lịch theo nhóm) ở nhà, cùng với giày cao gót, xăng đan và dép tông. Bạn cũng không được hút thuốc [nguồn: CERN ].

Ghi chú của tác giả: Cách hoạt động của CERN

Tôi đề cập đến Einstein không phải vì tôi hiểu dù chỉ một chút về những gì ông ấy đã dạy cho thế giới, mà bởi vì các nhà khoa học ngày nay cố gắng xây dựng dựa trên công trình của Einstein. Một trong những điều Einstein đã dành nhiều thời gian để nghiên cứu là nguyên tử và ánh sáng hoạt động như thế nào. Các lý thuyết của ông cuối cùng đã dẫn đến sự tồn tại và phát hiện ra hạt Higgs.

Nhưng câu chuyện liên quan