Tin Khoa học - Công nghệ quốc tế

Máy dò khổng lồ trên Trạm Vũ trụ Quốc tế

.

AMS (viết tắt cho Alpha Magnetic Spectrometer) là một máy dò khổng lồ sử dụng quang phổ kế từ tính Alpha. AMS nặng 7,5 tấn, có trị giá đầu tư lên tới 2 tỷ đô la. Điều khiến cho AMS trở nên khá đặc biệt đó là nó được đưa lên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) bằng tàu con thoi Mỹ vào tháng 4 năm 2011.  Đây là Trạm Vũ trụ nằm trên đường quỹ đạo cận Mặt đất, tại độ cao cách Mặt đất khoảng 360 kilomet. AMS sẽ trở thành máy dò hạt khổng lồ đầu tiên được đặt trong quỹ đạo. Nhiệm vụ của AMS là phát hiện bất kỳ dấu hiệu nào cho thấy sự tồn tại những thành phần bí ẩn nhất của vật chất trong vũ trụ, bao gồm phản vật chất, vật chất lạ và vật chất tối. Chính nhiệm vụ ấy đã khiến cho AMS được xếp cùng loại với máy gia tốc hạt LHC ở Geneva.

Hình 1. Máy dò AMS trải qua các cuộc thử nghiệm trong căn phòng có  tường được thiết kế để hấp thụ bức xạ

Nhà nghiên cứu Jean-Pierre Vialle tại LAPP (1) cho biết: “Thông qua AMS, chúng ta có thể so sánh các đặc tính của tất cả những hạt mang điện tích bắn phá Trái đất. Điều này sẽ cho chúng ta biết liệu rằng vật chất tối có thật sự tồn tại hay không. Mặc dù các nhà khoa học vẫn chưa tìm thấy vật chất tối nhưng họ tin rằng vật chất tối chiếm 85% tổng số vật chất trong vũ trụ. Hơn nữa, nếu không dò tìm thấy phản hạt nhân thì chúng ta có thể kết luận rằng không có phản vật chất trong toàn bộ vũ trụ.

AMS sẽ trở thành một thử nghiệm vật lý mới nhất trên Trạm Vũ trụ ISS. Các chuyên gia hạt vũ trụ đặt rất nhiều hy vọng vào thử nghiệm này. Máy dò AMS là một trong nhưng dự án hoài bão nhất trên Trạm Vũ trụ ISS, mặc dù trước đây ISS đã từng bị chỉ trích vì hiệu suất khoa học kỹ thuật thấp kém. Dự án này cũng trải qua một chặng đường dài. Bắt đầu vào năm 1994, dự án đã cho ra đời máy dò tìm hạt đầu tiên vào năm 1998. Thiết bị này được đặt trên tàu con thoi Discovery tại quỹ đạo trong 12 ngày nhằm cung cấp các chứng cứ về nguyên lý. Ông Vialle nhớ lại: “Đây là một thành công thực sự. Mặc dù đó chỉ là một nhiệm vụ thử nghiệm nhưng máy dò tìm hạt vũ trụ đã được công bố trên năm tờ báo khoa học.” Và một năm sau đó, các kế hoạch cho phiên bản AMS hiện nay đã bắt đầu được thực hiện.

Mặc dù bị ràng buộc bởi chính sách vũ trụ của Mỹ nhưng AMS là môt dự án quốc tế có liên quan tới 600 nhà nghiên cứu từ 50 tổ chức, trong đó có 3 phòng thí nghiệm của Viện IN2P3 thuộc CNRS trên 16 quốc gia (2). Ông Vialle cho biết thêm: “Dự án AMS chính thức do Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) chỉ đạo, tuy nhiên 95% các thiết bị đo đạc của máy lại có xuất xứ từ các nước Châu Âu và Châu Á.” Thật vậy, trung tâm điều khiển AMS, có trụ sở tại CERN ở Geneva (Thánh địa Mecca Châu Âu của vật lý học hạt), là nơi sẽ thu thập dữ liệu từ Trung tâm Vũ trụ tại Houston. Không có một sự trùng hợp nào. AMS không chỉ là một đài thiên văn học, mà còn là một thử nghiệm được thiết kế thực sự dọc theo các hướng vật lý học hạt.

Để xác định các hạt năng lượng cao trong các tia vũ trụ, AMS nắm giữ thiết bị có thể sánh với các máy dò hạt mạnh nhất trên thế giới. Cho đến cuối thử nghiệm, vào giữa những năm 2020-2028, máy dò công nghệ phức hợp này sẽ tìm kiếm và làm sáng tỏ nguồn gốc của những hạt thường xuyên rơi bắn phá hành tinh của chúng ta.

Các nhà lý luận cho rằng có thể tìm thấy trong các tia vũ trụ liên tục bắn phá Trái đất. Những tia vũ trụ là các hạt – electron, proton, hạt nhân nguyên tử, hạt positron (phản electron) hoặc phản proton. Năng lượng của các hạt này thường lớn hơn rất nhiều so với năng lượng của các hạt quan sát được trong máy gia tốc. Khi những hạt này xâm nhập vào bầu khí quyển, chúng sẽ sản sinh ra các trận mưa hạt thứ cấp lớn. Các công trình như Đài thiên văn Auger ở Argentina, đây là kết quả của sự hợp tác quốc tế, trong đó có 7 phòng thí nghiệm từ Viện IN2P3 (3) của CNRS có thể dò tìm những hạt thứ cấp này và khám phá một số đặc tính của các tia vũ trụ đã tạo ra chúng. Nhưng đây chỉ là một phương pháp dò tìm gián tiếp. Phương pháp dò tìm trực tiếp tốt nhất là lắp đặt một máy dò hạt mạnh trong quỹ đạo. Nói cách khác, AMS chính là một khối nam châm tròn mạnh, có đường kính 1,15 mét, dùng để bẻ cong các đường hạt về phía nó và hướng chúng đến bộ lưu trữ của máy dò. AMS có thể dò tìm tất cả các hạt đi qua nó lên đến 1 teraelectron vôn (1012 electron vôn) và phát hiện ra dù chỉ có một positron giữa một triệu proton. Điều này cho thấy, so với vệ tinh Pamela được đặt trên quỹ đạo vào năm 2006, máy AMS có thể tăng từ 100 đến 1000 khúc uốn trong khi thực hiện quá trình dò tìm hạt. 

Hình 2. Sơ đồ các bộ phận máy dò AMS

Mục tiêu của AMS

Khi được đưa lên quỹ đạo, AMS được giao thực hiện thành công bốn mục tiêu: 1- Làm sáng tỏ phản vật chất; 2 - Dò tìm vật chất tối; 3 - Theo dõi các hạt lạ; 4 - Cập nhật vật lý học cổ điển.

Làm sáng tỏ phản vật chất, bất cứ ở nơi đâu khi nhìn vào bầu trời, các nhà thiên văn học cũng chỉ quan sát các vật chất. Theo các nhà vũ trụ học, vật chất và phản vật chất được tạo ra sau Big Bang (vụ nổ lớn tạo ra vũ trụ) có số lượng tương đương nhau. Do đó, đối với nhiều nhà lý luận, vấn đề chính cần giải quyết là xác định được cơ chế khiến cho phản vật chất biến mất, gần như hoàn toàn trong Vũ trụ nguyên thủy. Các nhà khoa học khác lại tin rằng Vũ trụ vẫn có rất nhiều “vật chất phản Vũ trụ” (phản sao, phản thiên hà…). Việc AMS tìm ra dù chỉ một hạt nhân nguyên tử của phản vật chất cũng sẽ chứng minh được sự tồn tại của phản vật chất trong vũ trụ.

Dò tìm vật chất tối, loại vật chất có thể nhìn thấy được chỉ chiếm 15% tổng số các vật chất của Vũ trụ. Số còn lại không chỉ là vật chất không thể nhìn thấy mà bản chất của loại vật chất này các nhà khoa học vẫn chưa thể nắm bắt. Người ta gọi loại vật chất như vậy là vật chất tối, được cấu thành bởi các hạt. Các hạt này chưa bao giờ quan sát được nhưng các nhà vật lý đã mặc nhiên công nhận sự tồn tại của chúng để duy trì sự nhất quán của các lý thuyết. Một trong những hạt đó có tên gọi là neutralino, sự hủy diệt của nó làm tăng lượng dư thừa của positron (phản hạt của electron). Đây là một sự kiện mà máy dò AMS đã phát hiện ra.

Theo dõi các hạt lạ, trong các điều kiện bình thường, vật chất hạt nhân như các proton và nơtron được cấu thành bởi hai loại hạt quac (hạt vi lượng), đó là “quac lên” và “quac xuống”. Một số nhà nghiên cứu vẫn tin rằng, dưới những điều kiện rất đặc biệt tồn tại trong các ngôi sao nhất định như các ngôi sao nơtron thì nhiều hạt chứa đến loại hạt quac thứ ba, được gọi là “hạt quac lạ”. Nếu điều này là thực tế thì AMS sẽ được bố trí một cách lý tưởng để bắt các khối strangelet (vật chất lạ).

Cập nhật vật lý học cổ điển, trong khi các nhà nghiên cứu vật lý học kỳ lạ đang rất say mê với AMS thì các nhà thiên văn học chuyên nghiên cứu về vật chất thông thường cũng không ngoại lệ. Tất cả các ngôi sao, thiên hà, chuẩn tinh và siêu tân tinh đều có khả năng tạo ra và gia tăng số lượng lớn các hạt và hạt nhân nguyên tử có điện tích bị phóng vào không gian. Do đó, máy dò tìm AMS cung cấp rất nhiều thông tin về đặc tính của những thiên thể cũng như những cơ chế thiên văn học như vậy xảy ra trong chúng.

Nhiệm vụ mở rộng

Một trong những hệ quả đó là trong khi các thông tin được thu thập qua vệ tinh quan sát và sau một năm thường rơi vào miền công cộng thì dữ liệu của AMS sẽ lưu lại đặc tính của sự hợp tác, giống như tất cả các dữ liệu được thu bởi máy gia tốc. Tương tự như vậy, trong khi việc xây dựng các vệ tinh đòi hỏi kỹ thuật cao nhất bị ủy thác cho nền công nghiệp thì AMS lại hoàn toàn được thiết kế và lắp ráp trong phòng thí nghiệm, giống như một phòng thí nghiệm lắp ráp những máy dò hạt lớn trên mặt đất.

Điều này giải thích tại sao có thể thực hiện thao tác điều chỉnh vào phút cuối đối với máy dò như một kết quả của sự quay vòng trong chính sách của Mỹ. Vào mùa xuân 2010, sau khi AMS trải qua tất cả các cuộc thử nghiệm tại Geneva và Netherland, nhiệm vụ ISS được mở rộng tới năm 2020 và có thể tới năm 2028. Như ông Vialle giải thích: “Theo dự kiến ban đầu, tuổi thọ của nam châm siêu dẫn AMS gắn với tuổi thọ của trạm vũ trụ, do đó, AMS chỉ được thiết kế để vận hành trong 2 đến 3 năm. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã phải quyết định đưa máy dò về CERN, phá hủy nó hoàn toàn và thay thế nam châm của nó bằng một nam châm vĩnh cữu có tuổi thọ dài hơn rất nhiều.”

Vào mùa hè năm ngoái, AMS đã trải qua hàng loạt các thử nghiệm cuối cùng dưới chùm hạt của máy gia tốc tại Geneva. Ngày 26 tháng 4 năm 2010, AMS được chuyển lên Máy bay quân đội C5 của Mỹ, hướng bay tới Trung tâm Vũ trụ Kennedy, ở Cape Canaveral (Florida) để lên tàu vũ trụ con thoi.

Một khi đã nằm trong quỹ đạo, sau mười năm chờ đợi, máy dò hạt khổng lồ AMS sẽ tìm kiếm các ngôi sao đến cùng. AMS sẽ thu thập các trận mưa hạt, và sau đó tiết lộ được những bí mật của Vũ trụ, kết nối lại các mối liên hệ giữa những vật vô cùng lớn và vô cùng nhỏ.

(1) Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de physique des particules (CNRS/Université de Savoie) – Phòng thí nghiệm vật lý hạt Annecy-le-Vieux (CNRS/Đại học Savoie).
(2) Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie de Grenoble (CNRS/ Université Joseph-Fourier/Grenoble INP) – Phòng thí nghiệm vật lý hạ nguyên tử và vũ trụ học Grenoble (CNRS/Đại học Joseph-Fourier/Grenoble INP), Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de physique des particules (CNRS/Université de Savoie), and Laboratoire univers et particules de Montpellier (CNRS/Université Montpellier-II) – Phòng thí nghiệm vũ trụ và các hạt Montpellier (CNRS/Đại học Montpellier II).
(3) Institut national de physique nucléaire et de physique des particules – Viện Vật lý hạt nhân, vật lý hạt.

(Theo CNRS)
Tuyết Lan

Bản quyền thuộc về Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Địa chỉ: 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội. Email: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Khi phát hành lại thông tin trên Website cần ghi rõ nguồn: "Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam".