The Storm Riders
Writer
Tại Cơ sở Nghiên cứu Dưới lòng đất Sanford (SURF) ở vùng Black Hills phía bắc, các đội ngũ kỹ sư và công nhân đang khẩn trương trang bị cho những hang động ngầm khổng lồ để phục vụ một trong những thí nghiệm vật lý hạt tham vọng nhất thế giới: nghiên cứu về neutrino.
Cơ sở Neutrino Dải Tần Dài (Long Baseline Neutrino Facility - LBNF) bao gồm hai hang động chính, mỗi hang có chiều dài ấn tượng 500 feet (khoảng 152 mét), cao 92 feet (khoảng 28 mét) và rộng 65 feet (khoảng 20 mét). Những không gian ngầm đồ sộ này sẽ là nơi chứa các cryostat (buồng lạnh siêu thấp) khổng lồ, chứa đầy 17.000 tấn argon lỏng. Mục đích của "cái bẫy" khổng lồ này là để "bắt" và nghiên cứu neutrino, một trong những hạt cơ bản của vũ trụ, vốn cực kỳ khó phát hiện do tương tác rất yếu với vật chất.
Jaret Heise, giám đốc khoa học tại SURF, cho biết công việc lắp đặt các tiện ích như hệ thống chữa cháy và ống dẫn khí dự kiến sẽ tiếp tục trong khoảng một năm đến một năm rưỡi nữa. Vào đầu năm tới, các nhà thầu liên kết với CERN (Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu) sẽ đến hiện trường để lắp đặt và dựng lên các cryostat lớn – những "hộp làm mát" sẽ chứa argon lỏng. Một lượng thép khổng lồ, khoảng 12 triệu pound (hơn 5.400 tấn), dành cho hai máy dò này hiện đã được tập kết tại Rapid City, và các xe tải sẽ bắt đầu vận chuyển số thép này lên cơ sở vào đầu năm sau.
Việc thiết lập các chùm tia neutrino và lắp đặt các tiện ích sẽ diễn ra đồng thời, khiến khu vực này trở nên vô cùng bận rộn kể từ năm tới. Mặc dù hy vọng phần lớn các tiện ích sẽ được lắp đặt trước, nhưng mức độ hoạt động chắc chắn sẽ tăng lên ít nhất một bậc nữa.
Mỗi cryostat sẽ được cấu tạo từ khoảng 6 triệu pound thép. Đây là một khối lượng thép đáng kinh ngạc. Tất cả các dầm thép này sẽ được treo bên dưới lồng vận chuyển (cage) để đưa xuống lòng đất. Những dầm thép này sẽ tạo thành bộ khung xương (exoskeleton) của các cryostat. Bên trong các cryostat này sẽ là lớp cách nhiệt – một mét cách nhiệt cho thiết kế cryostat màng. Và cuối cùng, bên trong lớp cách nhiệt đó sẽ là nơi lắp đặt các thành phần của máy dò.
Trên sàn của các hang động, người ta có thể lờ mờ nhận ra những hình chữ nhật, đó chính là chu vi bên ngoài của các cryostat. Các dầm thép sẽ được đặt trên những bệ bê tông cốt thép này. Một trong những bệ này nằm ở vị trí xa nhất của máy dò so với điểm quan sát hiện tại, và chúng được bố trí xung quanh toàn bộ chu vi hình chữ nhật của cryostat.
Các dầm thép được đánh số riêng và đã có vị trí lắp đặt cụ thể. Việc đánh số này, theo ông Heise, chủ yếu liên quan đến công tác hậu cần: dầm nào sẽ lên xe tải đầu tiên, dầm nào lên xe thứ hai, và thứ tự vận chuyển từ Rapid City đến SURF như thế nào. Chúng sẽ được đưa vào hang động, tập kết ở đầu hang gần trục Ross, sau đó được vận chuyển từng chiếc một khi cryostat được lắp ráp ở phía đông của không gian hang động. Các đội ngũ có thể sử dụng một nửa không gian hang động để bố trí vật liệu, nhưng không gian trên mặt đất hay dưới lòng đất đều không có nhiều chỗ trống. Do đó, việc lập kế hoạch hậu cần và xác định thời điểm vận chuyển từng dầm thép lên Lead (thị trấn gần SURF) là vô cùng quan trọng và đòi hỏi sự tính toán kỹ lưỡng.
Vậy những thí nghiệm đặc biệt về neutrino này được kỳ vọng sẽ mang lại những hiểu biết gì? Việc tạo ra một khuôn khổ để hiểu tại sao vũ trụ lại có nhiều vật chất hơn phản vật chất đòi hỏi nhiều yếu tố.
Một trong những yếu tố đó đang được thử nghiệm với chương trình vật lý DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). Thí nghiệm này kiểm tra các tương tác với neutrino, bằng cách thay đổi chùm tia tại Phòng thí nghiệm Fermi (Fermi Lab), bắn một chùm phản neutrino và so sánh các dấu hiệu từ chùm neutrino và phản neutrino đó.
Một thí nghiệm khác, Majorana Demonstrator, đang tìm cách hiểu liệu neutrino có phải là phản hạt của chính nó hay không. Cả hai yếu tố này đều cần thiết cho các lý thuyết giải thích tại sao chúng ta nghĩ rằng neutrino chịu trách nhiệm tạo ra sự bất đối xứng đó trong vũ trụ.
Siêu dự án nghiên cứu neutrino tại SURF không chỉ là một nỗ lực kỹ thuật phi thường mà còn là một hành trình khám phá những bí ẩn cơ bản nhất của vũ trụ. Những phát hiện từ các thí nghiệm này có thể làm thay đổi căn bản hiểu biết của chúng ta về vật chất, phản vật chất và nguồn gốc của vũ trụ mà chúng ta đang sống.
Xây dựng bẫy neutrino
Cơ sở Neutrino Dải Tần Dài (Long Baseline Neutrino Facility - LBNF) bao gồm hai hang động chính, mỗi hang có chiều dài ấn tượng 500 feet (khoảng 152 mét), cao 92 feet (khoảng 28 mét) và rộng 65 feet (khoảng 20 mét). Những không gian ngầm đồ sộ này sẽ là nơi chứa các cryostat (buồng lạnh siêu thấp) khổng lồ, chứa đầy 17.000 tấn argon lỏng. Mục đích của "cái bẫy" khổng lồ này là để "bắt" và nghiên cứu neutrino, một trong những hạt cơ bản của vũ trụ, vốn cực kỳ khó phát hiện do tương tác rất yếu với vật chất.
Jaret Heise, giám đốc khoa học tại SURF, cho biết công việc lắp đặt các tiện ích như hệ thống chữa cháy và ống dẫn khí dự kiến sẽ tiếp tục trong khoảng một năm đến một năm rưỡi nữa. Vào đầu năm tới, các nhà thầu liên kết với CERN (Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu) sẽ đến hiện trường để lắp đặt và dựng lên các cryostat lớn – những "hộp làm mát" sẽ chứa argon lỏng. Một lượng thép khổng lồ, khoảng 12 triệu pound (hơn 5.400 tấn), dành cho hai máy dò này hiện đã được tập kết tại Rapid City, và các xe tải sẽ bắt đầu vận chuyển số thép này lên cơ sở vào đầu năm sau.
Việc thiết lập các chùm tia neutrino và lắp đặt các tiện ích sẽ diễn ra đồng thời, khiến khu vực này trở nên vô cùng bận rộn kể từ năm tới. Mặc dù hy vọng phần lớn các tiện ích sẽ được lắp đặt trước, nhưng mức độ hoạt động chắc chắn sẽ tăng lên ít nhất một bậc nữa.
Khối rubik thép khổng lồ
Mỗi cryostat sẽ được cấu tạo từ khoảng 6 triệu pound thép. Đây là một khối lượng thép đáng kinh ngạc. Tất cả các dầm thép này sẽ được treo bên dưới lồng vận chuyển (cage) để đưa xuống lòng đất. Những dầm thép này sẽ tạo thành bộ khung xương (exoskeleton) của các cryostat. Bên trong các cryostat này sẽ là lớp cách nhiệt – một mét cách nhiệt cho thiết kế cryostat màng. Và cuối cùng, bên trong lớp cách nhiệt đó sẽ là nơi lắp đặt các thành phần của máy dò.
Trên sàn của các hang động, người ta có thể lờ mờ nhận ra những hình chữ nhật, đó chính là chu vi bên ngoài của các cryostat. Các dầm thép sẽ được đặt trên những bệ bê tông cốt thép này. Một trong những bệ này nằm ở vị trí xa nhất của máy dò so với điểm quan sát hiện tại, và chúng được bố trí xung quanh toàn bộ chu vi hình chữ nhật của cryostat.
Các dầm thép được đánh số riêng và đã có vị trí lắp đặt cụ thể. Việc đánh số này, theo ông Heise, chủ yếu liên quan đến công tác hậu cần: dầm nào sẽ lên xe tải đầu tiên, dầm nào lên xe thứ hai, và thứ tự vận chuyển từ Rapid City đến SURF như thế nào. Chúng sẽ được đưa vào hang động, tập kết ở đầu hang gần trục Ross, sau đó được vận chuyển từng chiếc một khi cryostat được lắp ráp ở phía đông của không gian hang động. Các đội ngũ có thể sử dụng một nửa không gian hang động để bố trí vật liệu, nhưng không gian trên mặt đất hay dưới lòng đất đều không có nhiều chỗ trống. Do đó, việc lập kế hoạch hậu cần và xác định thời điểm vận chuyển từng dầm thép lên Lead (thị trấn gần SURF) là vô cùng quan trọng và đòi hỏi sự tính toán kỹ lưỡng.
Đi tìm nguồn gốc vật chất
Vậy những thí nghiệm đặc biệt về neutrino này được kỳ vọng sẽ mang lại những hiểu biết gì? Việc tạo ra một khuôn khổ để hiểu tại sao vũ trụ lại có nhiều vật chất hơn phản vật chất đòi hỏi nhiều yếu tố.
Một trong những yếu tố đó đang được thử nghiệm với chương trình vật lý DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). Thí nghiệm này kiểm tra các tương tác với neutrino, bằng cách thay đổi chùm tia tại Phòng thí nghiệm Fermi (Fermi Lab), bắn một chùm phản neutrino và so sánh các dấu hiệu từ chùm neutrino và phản neutrino đó.
Một thí nghiệm khác, Majorana Demonstrator, đang tìm cách hiểu liệu neutrino có phải là phản hạt của chính nó hay không. Cả hai yếu tố này đều cần thiết cho các lý thuyết giải thích tại sao chúng ta nghĩ rằng neutrino chịu trách nhiệm tạo ra sự bất đối xứng đó trong vũ trụ.
Siêu dự án nghiên cứu neutrino tại SURF không chỉ là một nỗ lực kỹ thuật phi thường mà còn là một hành trình khám phá những bí ẩn cơ bản nhất của vũ trụ. Những phát hiện từ các thí nghiệm này có thể làm thay đổi căn bản hiểu biết của chúng ta về vật chất, phản vật chất và nguồn gốc của vũ trụ mà chúng ta đang sống.
