Hạt Quark của Muster Mark – công trình khoa học phức tạp hàng đầu nhân loại

Năm 1911, một nhà khoa học Anh tên là C. T. R. Wilson nghiên cứu về cấu trúc mây bằng cách thường xuyên tìm đến đỉnh Ben Nevis, một dãy núi nổi tiếng ẩm ướt ở Scotland, ông nhận thấy rằng ắt hẳn phải có một phương cách nào đó dễ dàng hơn cho việc nghiên cứu cấu trúc mây. Quay về phòng thí nghiệm Cavendish tại Cambridge, ông xây dựng một phòng chứa mây nhân tạo – một thiết bị đơn giản mà ở đó ông có thể làm mát và làm không khí, tạo ra một mô hình mây hợp lý trong điều kiện thí nghiệm.

Thiết bị này vận hành rất tốt, ngoài ra nó còn đem lại một ích lợi bất khác. Khi ông bơm các hạt alpha vào phòng để tạo mây nhân tạo, nó tạo một vệt dài dễ thấy – giống như vệt khói để lại phía sau máy bay loại lớn nó đang bay. Trước đó ông đã phát minh ra máy dò tìm hạt. Nó cung những bằng chứng cụ thể cho thấy rằng hạt hạ nguyên tử thực sự có tồn tại.

Cuối cùng hai nhà khoa học khác của Cavendish đã phát minh ra thiết bị rọi proton, trong khi tại California thì Ernest Lawrence phát minh máy gia tốc (thiết bị làm cho các hạt của nguyên tử chuyển động với tốc rất cao), còn gọi là đập vỡ nguyên tử. Tất cả các thiết bị này đều hành – cho đến nay vẫn thế – dựa vào cùng một nguyên tắc: làm hạt proton
di chuyển với vận tốc cực lớn dọc theo một đường ray (đôi khi được gọi chu kỳ hoặc tuyến), sau đó cho nó va đập mạnh vào một hạt khác và quan xem điều gì xảy ra. Đó là lý do tại sao nó được gọi là máy đập vỡ nguyên tử. Việc này có vẻ không khoa học lắm, nhưng nhìn chung nó rất hiệu quả.

Khi các nhà vật lý học xây dựng những cỗ máy lớn hơn với tham vọng lớn hơn, họ bắt đầu đặt tên cho các hạt bằng ký tự mà không kèm theo bất kỳ con số nào: muon, pion, hyperon, meson, K–meson, Higgs boson, baryon,
tachyon. Ngay cả các nhà vật lý học cũng cảm thấy khó chịu với việc này. Enrico Fermi đã trả lời một học sinh nọ khi anh ta hỏi ông về tên của các hạt, “Chàng trai trẻ ạ, nếu tôi có thể nhớ được tên của các hạt này thì có lẽ tôi đã
là một nhà thực vật học”.

Ngày nay các máy gia tốc có những cái tên khá oai vệ: Super Proton Synchrotron, Large Electron Positron Collider, Large Hadron Collider, Relativistic Heavy Ion Collider. Vận dụng lượng năng lượng cực lớn, chúng
có thể đẩy các hạt di chuyển với vận tốc cực lớn: một electron có thể hoàn tất bốn mươi bảy vòng quanh một đường ray dài bốn dặm trong một giây. Người ta e rằng với sự nhiệt tình của mình, các nhà khoa học có thể vô tình tạo ra một lỗ đen hay một cái gì đó được gọi là “các hạt lạ”, các hạt này cóthể, về mặt lý thuyết, tương tác với các hạt hạ nguyên tử và phát triển đến mức không thể kiểm soát được. Nếu hiện giờ bạn đang đọc được điều này, có nghĩa là điều đó vẫn chưa hề xảy ra.

Việc khám phá các hạt đòi hỏi phải có sự tập trung cao độ. Chúng không những cực nhỏ và cực nhanh mà còn rất phù du. Các hạt có thể xuất hiện và biến mất trong khoảng thời gian 0,000000000000000000000001 giây (10–
24). Ngay cả hạt chậm chạp nhất trong số này cũng chỉ tồn tại không quá 0,0000001 giây (10–7).

Một số hạt tồn tại cực ngắn đến mức chúng ta không thể xác định được sự tồn tại của chúng. Mỗi giây trái đất nhận 10.000 nghìn tỷ nghìn tỷ hạt nơtrinô cực nhỏ không có trọng lượng (chủ yếu được bắn ra từ các nguyên tử
nhiệt của mặt trời), nhưng chúng ta không thể cảm nhận được sự tồn tại của chúng. Để có được vài hạt nơtrinô, các nhà khoa học cần có các hồ nước chứa được 12,5 triệu galông (1 galông = 4,454 lít) nước nặng (loại nước có mật độ đơteri cân bằng) trong một không gian bên dưới mặt đất (thường là các mỏ dầu), nơi mà chúng không bị nhiễu bởi các loại phóng xạ khác.

Rất hiếm khi, một hạt nơtrinô chuyển động va đập vào một hạt nhân nguyên tử trong nước và tạo ra một luồng năng lượng nhỏ. Các nhà khoa học đo lường luồng năng lượng này và từ đó lần ra manh mối về những đặc điểm
cơ bản của vũ trụ. Năm 1998, một quan sát viên người Nhật Bản xác định rằng hạt nơtrinô thực sự có trọng lượng, nhưng không lớn – chỉ bằng khoảng một phần mười triệu trọng lượng của electron.

Ngày nay chúng ta tốn khá nhiều tiền để nghiên cứu các hạt. Có mối quan hệ trái nghịch trong vật lý hiện đại khi chúng ta phải vận dụng các loại máy móc lớn và hiện đại để nghiên cứu về thế giới nhỏ bé của các hạt. CERN (the
European Organization for Nuclear Research), tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu, giống như một thành phố nhỏ. Trải dài ở vùng biên giới giữa Pháp và Thụy Sĩ, tổ chức này có đến ba nghìn nhân viên với diện tích nhiều dặm vuông. CERN sở hữu lượng nam châm có trọng lượng lớn hơn trọng lượng của tháp Eiffel và đường hầm dài mười sáu dặm.