VÌ SAO NGHIÊN CỨU NHỮNG HẠT SƠ CẤP RẤT NHỎ
PHẢI DÙNG ĐẾN MÁY GIA TỐC RẤT LỚN?
Hạt sơ cấp là những hạt nhỏ nhất mà ngày nay con người có thể biết được. Hạt sơ cấp rốt cục thì nhỏ đến mức nào? Làm một phép so sánh thì sẽ rõ, nếu có một chiếc kính phóng to có thể phóng quả bóng bàn to như trái đất, vậy thì dùng bội số phóng đại ấy để nhìn hạt sơ cấp, hạt sơ cấp cũng chỉ lớn như một quả bóng bàn thôi. Xếp một vạn tỉ hạt sơ cấp thành một hàng ngang, cho hàng ngang này xuyên qua đầu nhọn của cái kim, cũng vẫn còn thừa cơ.
Đối với những hạt sơ cấp nhỏ như thế này, con người không thể dùng mắt mà quan sát được chuyển động của chúng, thậm chí dùng kính hiển vi có độ phóng đại rất lớn cũng rất khó khăn nhìn thấy chúng. Ngày nay, các nhà khoa học không có cách nào chế tạo ra những máy nhỏ hơn cả hạt sơ cấp để quan sát hạt sơ cấp vì thế phải dùng hạt sơ cấp làm ''dao giải phẫu'' để tìm hiểu về cấu tạo của hạt sơ cấp, Nguồn gốc, lai lịch của loại ''dao giải phẫu'' này là những hạt có năng lượng lớn trong các tia vũ trụ là rất nhỏ, hơn nữa cường độ rất yếu và quan trọng hơn là trong yêu cầu của những thí nghiệm khác nhau, con người không có cách nào khống chế được chúng. Vì thế, các nhà khoa học đã tạo ra các loại thiết bị gọi là máy gia tốc dùng để sản sinh ra các hạt có năng lượng cao, nhằm dùng những hạt này một cách có hiệu quả, theo khối lượng đã định sẵn để tiến hành thí nghiệm hạt sơ cấp. Đầu tiên, máy gia tốc mà con người tạo ra là máy gia tốc trực tuyến, độ của nó là 3000m. Nếu muốn sinh ra hạt có năng lượng cao gấp 20 lần, thì độ của máy gia tốc trục tuyến phải là 75 nghìn mét. Có thể làm cho những hạt có năng lượng cao đi vào quỹ đạo tròn đực không, từ đó giảm bớt được rất nhiều phạm vi của máy gia tốc? Từ năm 1930, Raolos đã đưa ra phương án chế tạo máy gia tốc lượn vòng. Máy gia tốc lượn vòng chế tạo theo phương án này đường kính khoảng 2 nghìn mét, nếu độ lớn của hạt nghiên cứu càng nhỏ, năng lượng cần đùng càng cao thì đường kính của máy gia tốc cũng phải càng lớn.
Vì sao khi nghiên cứu những hạt sơ cấp rất nhỏ lại phải chế tạo những máy gia tốc lớn như vậy? Thì ra quy luật chuyển động của hạt sơ cấp không đơn giản như những chuyển động của các vật thể mà chúng ta quan sát thấy trong thế giới vĩ mô (như chuyển động của quả bóng bàn). Chúng có một đặc tính rất lạ, vừa có tính chất của chuyển động sóng, vừa có tính chất của hạt. Chuyển động của mỗi một loại hạt vi mô đều có một loại sóng tương ứng với nó, độ của những loại sóng này và khối lượng của hạt là tỷ lệ nghịch. Vật chất giống như quả bóng bàn cũng có tính chất chuyển động của loại sóng này, nhưng khối lượng của quả bóng bàn lớn hơn nhiều khối lượng của hạt sơ cấp. Vì thế độ của loại chuyển động sóng này rất ngắn, chúng ta có thể hoàn toàn không để ý đến ảnh hưởng của nó tới chuyển động của quả bóng bàn. Tuy nhiên, khi nghiên cứu hạt sơ cấp, nhất định phải quan tâm đến tác dụng của loại chuyển động này. Để ''nhìn rõ'' cấu tạo của hạt sơ cấp, độ sóng của những hạt sơ cấp làm ''dao phẫu thuật'' càng ngắn càng tốt, nếu không rất khó đưa ra được những kết quả đo lường chính xác, nhưng độ sóng càng ngắn, động năng tương ứng phải càng lớn, thế thì những hạt sơ cấp có tốc độ lớn này rất dễ bay theo đường thẳng, muốn chúng đổi hướng, chuyển động theo cung tròn chẳng đơn giản chút nào. Cách giải quyết chỉ có thể làm giảm bớt độ quanh co của ''đường chạy'' của máy gia tốc, thế thì đường kính của máy gia tốc nhất định phải làm rất lớn.
Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, con người tin rằng, kích thước của máy gia tốc có thể giảm bớt. Năm 1953, máy gia tốc đồng bộ prôton được chế tạo tại phòng thí nghiệm hải văn Quốc gia Brucker (New York) là một loại máy như thế, nguyên tắc của loại máy gia tốc này là không chịu sự hạn chế của thể tích, giá thành chế tạo lại tương đối rẻ, đương nhiên về mặt kỹ thuật thì nó còn nhiều vấn đề mới yêu cầu con người đi sâu giải quyết.
