Máy gia tốc sử dụng plasma

Các nhà vật lý sử dụng máy gia tốc để làm sáng tỏ nhiều vấn đề cơ bản trong cấu trúc của vũ trụ. Trong các máy gia tốc khổng lồ, các hạt được gia tốc đến gần tốc độ ánh sáng và va chạm nhau trong những điều kiện tương tự của vụ nổ bigbang. Khi nghiên cứu những mảnh vỡ sau quá trình va chạm, các nhà vật lý hy vọng hiểu được các lực tương tác và các hạt cơ bản cấu thành, từ đó có cơ sở để xây dựng một lý thuyết thống nhất.

Máy gia tốc lớn nhất hiện nay đang trong quá trình xây dựng tại CERN (Trung tâm Nghiên cứu châu Âu) nằm ở biên giới Pháp - Thụy Sỹ là máy LHC (Large Hadron Collider - máy va chạm hadron lớn) có đường kính 8,6 km. Máy LHC sẽ được hoàn thành vào năm 2007, cho phép thực hiện sự va chạm của hai dòng proton có năng lượng 7 nghìn tỷ eV. Các thí nghiệm này sẽ cho chúng ta biết về nguồn gốc khối lượng của các hạt, về vật chất - phản vật chất, về trạng thái quark - gluon plasma. Máy gia tốc này vẫn được xây dựng dựa trên nguyên lý gia tốc các hạt có từ nhiều thập kỷ nay.

Trong những năm gần đây, các nhà vật lý đã tìm ra một phương pháp mới [1] để gia tốc các hạt bằng cách sử dụng plasma (plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, sau các trạng thái rắn, lỏng và khí). Phương pháp này có khả năng gia tốc các hạt đến năng lượng 100 tỷ eV= 10 ⁵MeV và rút gọn kích thước các máy gia tốc để dùng trong các lĩnh vực như nghiên cứu vật liệu, sinh học cấu trúc, y học hạt nhân, tổng hợp hạt nhân, chiếu xạ thực phẩm, chuyển hóa chất thải hạt nhân, điều trị ung thư.

Nguyên lý làm việc của máy gia tốc sử dụng plasma

Một khối plasma là trung tính về điện vì chứa một lượng điện tích âm (electron) bằng đúng số điện tích (ion) dương. Nếu ta cho một tia laser hoặc một chùm hạt đi qua khối plasma thì sẽ phát sinh một sự nhiễu loạn trong plasma: Thực vậy tia laser hoặc chùm hạt sẽ đẩy các electron vốn là những hạt nhẹ ra phía ngoài, còn các ion là những hạt nặng hơn sẽ nằm lại phía trong, như thế tạo ra một khoảng plasma trong đó xuất hiện những vùng ở đấy tập trung nhiều hạt mang điện tích âm và những vùng nhiều hạt mang điện tích dương và vì thế phát sinh một trường gia tốc giữa các vùng đó. Nếu tia laser hoặc chùm hạt có một hướng nhất định, ví dụ từ trái sang phải, thì các electron nằm ở phía trái có thể bị gia tốc mạnh sang phía phải bởi trường gia tốc phát sinh (xem hình 1).

Để hiểu một cách đơn giản nguyên lý làm việc của máy gia tốc sử dụng plasma, ta xét hiện tượng sau: Laser truyền trong plasma, giống như một con tàu biển rẽ nước, tạo nên những sóng trên đường đi. Những người trượt sóng (surfer), ở đây là các electron, sẽ lợi dụng những sóng đó để tăng tốc độ của mình. Như thế chúng ta đã tạo nên một sóng mạnh sau xung laser, và chúng ta đã sử dụng sóng đó để gia tốc các electron.

Một khối plasma chứa 10 ¹⁸electron trên 1 cm3 có thể làm phát sinh một cường độ điện trường 100 tỷ volt/m. Cường độ này lớn hơn 1.000 lần gradient gia tốc trong các máy gia tốc hiện hành.

Cấu trúc của một máy gia tốc sử dụng plasma

Tia laser cường độ cao bắn vào tia khí helium tạo nên plasma, trường gia tốc phát sinh sẽ gia tốc electron. Các electron được gia tốc này sẽ đi theo lộ trình: Thiết bị chuẩn trực, rồi qua một từ trường để hướng các electron về một bản ghi hình và cuối cùng cho ta một phổ năng lượng electron.

Nếu chúng ta sử dụng thêm một thiết bị bắn electron ngoài vào vùng xung lái (xem hình 1) thì chúng cũng sẽ được gia tốc cùng với các electron có sẵn trong plasma.

Năm 2002, Victor Malka cùng cộng sự tại Phòng thí nghiệm LOA (Laboratoire d’Optique Appliquée, một phòng thí nghiệm hợp tác giữa CNRS với Đại học Quốc gia các công nghệ hiện đại và Đại học Bách khoa của Pháp) đã tìm phương pháp thu được chùm 10 ⁹electron gần đơn năng dưới dạng một xung có độ dài khoảng 10 femto-giây (10 ^-14giây), đây là một xung ngắn nhất mà một máy gia tốc có thể tạo nên được.

Các nhà vật lý chứng minh rằng, với nguyên lý “cưỡi” trên sóng plasma có thể gia tốc các electron đến năng lượng 4 GeV (4.10 ⁹eV) trên một quãng đường 10 cm!

Nguyên lý trình bày ở đây có thể ứng dụng để gia tốc positron (phản hạt của electron). Trường gia tốc phải được đổi chiều. Người ta phải tạo ra một xung dẫn positron và bức tranh sẽ ngược dấu với bức tranh mô tả trong hình 1. Ngoài ra, nguyên lý này cũng sử dụng được để gia tốc các hạt nặng như proton (xem thêm [2]).

Các nhà vật lý đã đạt được nhiều tiến bộ trong việc xây dựng máy gia tốc sử dụng plasma. Mặc dù các nguyên lý vật lý cơ bản đã được làm sáng tỏ, song nhiều thách thức vẫn còn ở phía trước: Tạo các tia với chất lượng cao, nâng cao năng lượng và tần số của xung dẫn... Máy gia tốc sử dụng plasma với kích thước gọn nhẹ là những thiết bị compắc không đòi hỏi kinh phí lớn so với các máy gia tốc siêu trường, những máy va chạm lớn, những cyclotron, những synchrotron đồ sộ. Vì plasma có thể chịu đựng được những điện trường rất mạnh, từ mười ngàn đến trăm ngàn lần lớn hơn điện trường có mặt trong những máy gia tốc truyền thống cho nên trong plasma, quãng đường cần cho quá trình gia tốc hạt đến một năng lượng cho trước sẽ nhỏ hơn rất nhiều. Những máy gia tốc sử dụng plasma sẽ là một công cụ vô cùng hữu hiệu cho nhiều lĩnh vực ứng dụng của vật lý.

Tài liệu tham khảo:

[1] Scientific American, tháng 2.2006.

[2] Victor Malka (LOA), Jérôme Faure ( LOA ), Erik Lefebvre (CEA). Tạp chí Hoạt động Khoa học số tháng 6.2005.

Nguồn: Tạp chí Hoạt động khoa học, số 7/2006