LHC không dài thêm để thu thêm dữ liệu: CERN thay 28 nam châm, đưa từ trường hội tụ lên 11,3 tesla

Muốn Large Hadron Collider tạo ra nhiều dữ liệu hơn, CERN không cần đào thêm một vòng hầm dài hơn 27 km. Phần nâng cấp quan trọng nhất diễn ra chỉ ở những đoạn ngắn sát ATLAS và CMS: tại đây, các nam châm sẽ ép những chùm proton vốn đã chạy gần tốc độ ánh sáng thành các bó hẹp hơn ngay trước khi chúng cắt nhau.

CERN đã bắt đầu tháo 28 nam châm siêu dẫn trong các khu vực này như một phần của Long Shutdown 3. Thế hệ nam châm hội tụ mới của dự án High-Luminosity LHC (HiLumi LHC) sử dụng cuộn siêu dẫn niobium–tin, đạt từ trường 11,3 tesla. Trong thông báo ngày 17/9/2026, CERN mô tả mức này cao hơn khoảng 40% so với các nam châm hiện tại.

Điểm cần phân biệt là HiLumi LHC không chủ yếu nhằm làm mỗi va chạm proton có năng lượng cao hơn. Mục tiêu là tăng luminosity — số cơ hội va chạm hữu ích mà các thí nghiệm nhận được — để ATLAS và CMS có thể thu nhiều sự kiện hơn và nhìn rõ hơn những quá trình hiếm.

28 nam châm đang được tháo ở đâu?

LHC là máy gia tốc hạt lớn và mạnh nhất thế giới, với vòng hầm dài 27 km nằm khoảng 100 m dưới lòng đất ở biên giới Pháp–Thụy Sĩ. Hàng nghìn nam châm siêu dẫn bên trong không làm cùng một việc: nam châm lưỡng cực bẻ quỹ đạo hạt theo vòng tròn, còn nam châm tứ cực tập trung chùm hạt theo cách gần giống vai trò của thấu kính đối với ánh sáng.

Những nam châm đặc biệt quan trọng đối với HiLumi LHC nằm hai bên điểm va chạm của ATLAS và CMS. Các cụm cuối cùng trước detector được gọi là inner triplet, gồm các nam châm tứ cực có nhiệm vụ hội tụ mạnh chùm proton ngay trước lúc hai chùm gặp nhau.

Từ ngày 7/9, các đội kỹ thuật CERN bắt đầu tháo những đoạn máy quanh hai thí nghiệm để loại bỏ 28 nam châm siêu dẫn cần được thay thế, trong đó có các inner triplet. CERN cho biết giai đoạn lắp đặt mới sẽ bao gồm 16 cryostat và 28 cryo-assembly; nam châm tứ cực đầu tiên của các triplet mới dự kiến được đưa xuống đường hầm vào đầu năm 2029.

Con số 28 vì thế không nên được hiểu là 28 nam châm hoàn toàn giống nhau cùng làm nhiệm vụ “ép proton”. Đây là cả một nhóm thành phần siêu dẫn ở khu vực tương tác cần được thay mới. Phần trực tiếp tạo ra mức hội tụ cuối cùng mạnh hơn là các nam châm tứ cực inner triplet.

Nam châm tứ cực “ép” chùm proton như thế nào?

Một nam châm tứ cực không đơn giản tạo ra một từ trường đều mạnh hơn. Trường của nó biến thiên theo vị trí: chùm hạt được hội tụ theo một trục nhưng đồng thời bị làm rộng theo trục vuông góc. Bằng cách đặt nhiều tứ cực với hướng xen kẽ, hệ quang học chùm hạt có thể thu nhỏ tiết diện của bó proton tại điểm va chạm.

Đó là lý do CERN gọi các cụm cuối cùng là inner triplet. Khi chùm proton nhỏ hơn tại tâm detector, mật độ proton đi qua cùng một vùng không gian tăng lên. Hai bó proton đối đầu vì thế có xác suất tạo va chạm lớn hơn, ngay cả khi chu vi vòng gia tốc không thay đổi.

HiLumi LHC còn sử dụng các “crab cavity” siêu dẫn để nghiêng các bó proton trước khi chúng gặp nhau, giúp tăng phần thể tích chồng lấp giữa hai chùm. Nói cách khác, nam châm hội tụ làm chùm hẹp hơn, còn crab cavity giúp hai bó chồng lên nhau hiệu quả hơn khi chúng cắt nhau ở một góc nhỏ.

Vì sao phải đổi từ niobium–titanium sang niobium–tin?

Các inner triplet hiện tại của LHC dùng chất siêu dẫn niobium–titanium (NbTi), công nghệ đã chứng minh độ tin cậy trong hàng nghìn nam châm của máy. Nhưng để tạo ra trường cao hơn trong một khẩu độ lớn hơn, NbTi bắt đầu chạm tới giới hạn thực tế của nó.

Thế hệ HiLumi chuyển sang niobium–tin (Nb3Sn). Vật liệu này có thể duy trì trạng thái siêu dẫn trong từ trường cao hơn, cho phép các cuộn dây đạt mức trường mà thiết kế cũ khó đạt được. Theo CERN, các tứ cực mới tạo từ trường cực đại 11,3 tesla và có khẩu độ lớn hơn đáng kể; tài liệu kỹ thuật của dự án ghi khẩu độ tăng từ khoảng 70 mm lên 150 mm.

Đổi lại, Nb3Sn khó chế tạo hơn. Sau quá trình phản ứng nhiệt để hình thành pha siêu dẫn, dây trở nên giòn hơn nhiều so với NbTi. Điều đó khiến việc quấn cuộn, cố định cơ học và kiểm soát ứng suất trở thành một phần quan trọng của thiết kế. Các nam châm cũng phải hoạt động ở khoảng 1,9 kelvin, tức gần -271,3 °C, cùng một hệ nhiệt độ cực thấp quen thuộc của LHC.

“Mạnh hơn 40%” không đồng nghĩa LHC tăng năng lượng 40%

Con số 40% rất dễ bị hiểu sai. CERN dùng nó để mô tả mức tăng của từ trường ở thế hệ inner triplet mới so với thiết bị hiện tại; đây không phải mức tăng năng lượng proton, cũng không có nghĩa các va chạm sẽ mạnh hơn 40%.

HiLumi LHC tập trung vào luminosity. Trang công nghệ của CERN đặt mục tiêu tạo khoảng 140–200 va chạm trong mỗi lần hai bó hạt gặp nhau ở ATLAS và CMS, so với khoảng 60 ở điều kiện hiện tại. Tính trên cả chương trình vận hành, CERN đặt mục tiêu tăng integrated luminosity lên khoảng 10 lần so với giá trị thiết kế ban đầu của LHC.

Điều này quan trọng vì nhiều quá trình vật lý chỉ xuất hiện với xác suất rất nhỏ. Nếu một hiện tượng chỉ xảy ra trong một phần rất nhỏ số va chạm, cách thực tế để quan sát nhiều sự kiện hơn không nhất thiết là tăng năng lượng từng proton; có thể tăng số va chạm mà detector thu được trong nhiều năm.

CERN ước tính HiLumi LHC có thể tạo khoảng 380 triệu boson Higgs trong suốt vòng đời vận hành, so với khoảng 55 triệu Higgs đã được tạo kể từ khi LHC bắt đầu hoạt động. Số liệu lớn hơn giúp các thí nghiệm đo các tính chất đã biết chính xác hơn và tìm sai lệch nhỏ so với dự đoán của Mô hình Chuẩn.

Công nghệ đã qua một bài kiểm tra quan trọng trước khi xuống hầm

CERN không đưa một hệ nam châm hoàn toàn mới thẳng xuống máy gia tốc. Một bản sao đầy đủ của khu vực inner triplet, gọi là IT String, đã được xây dựng trên mặt đất để kiểm tra đồng thời nam châm, nguồn điện, làm lạnh cryogenic, bảo vệ và căn chỉnh.

Tháng 7/2026, các tứ cực trong IT String đã đạt dòng vận hành danh định 16.230 ampere. Đây là bước kiểm chứng quan trọng vì sự cố ở nam châm siêu dẫn không chỉ là vấn đề mất từ trường: một vùng rất nhỏ chuyển khỏi trạng thái siêu dẫn có thể gây quench, giải phóng năng lượng tích trữ và buộc hệ bảo vệ phải phản ứng nhanh để bảo vệ thiết bị.

Tuy nhiên, việc đạt dòng danh định trên test stand không đồng nghĩa phần nâng cấp đã hoàn tất. Các hệ thống còn phải được tháo lắp, vận chuyển xuống đường hầm, căn chỉnh với độ chính xác cao, kết nối điện và cryogenic, sau đó chạy thử như một phần của toàn bộ máy.

Chỉ 1,2 km được thay đổi sâu, nhưng LHC sẽ vận hành theo một chế độ khác

Phần thiết bị mới của HiLumi tập trung trên khoảng 1,2 km trong tổng chu vi 27 km. Bên cạnh các nam châm hội tụ còn có crab cavity, hệ truyền điện siêu dẫn, collimator mới và hạ tầng bảo vệ chùm hạt. ATLAS và CMS là hai thí nghiệm nhận nâng cấp hội tụ mạnh nhất; ALICE và LHCb có chương trình vật lý và chế độ vận hành khác nên không cần cùng mức tăng instantaneous luminosity.

HiLumi LHC hiện được CERN dự kiến bắt đầu vận hành vào khoảng giữa năm 2030. Khoảng thời gian từ nay tới đó chủ yếu là một bài toán tích hợp: thay các thành phần cũ đã hoạt động gần hai thập kỷ bằng phần cứng mạnh hơn nhưng vẫn phải làm việc ổn định như một hệ thống duy nhất ở nhiệt độ 1,9 K và với chùm proton có năng lượng tích trữ rất lớn.

Điểm thú vị của lần nâng cấp này nằm ở chỗ giới hạn không phải kích thước đường hầm. CERN đang cố khai thác thêm dữ liệu vật lý từ cùng vòng gia tốc bằng cách kiểm soát chính xác hơn vài chục mét cuối cùng trước điểm va chạm. Với HiLumi LHC, “lớn hơn” không còn là tiêu chí chính; chùm proton nhỏ hơn và được căn đúng hơn mới là thứ tạo ra nhiều va chạm hơn.

Nguồn: CERN, “The disconnection of the LHC has begun”, 17/9/2026; CERN, New technologies for the High-Luminosity LHC; CERN, High-Luminosity LHC; High-Luminosity LHC, “New magnets reach full power”, 21/7/2026.