Cuộc tìm kiếm câu trả lời cho những câu hỏi chưa có lời giải (chẳng hạn như, hạt cơ bản nào tạo nên vật chất tối, tại sao vật chất lại thống trị vũ trụ và tại sao lại có sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất, hạt lực cho trọng lực là gì, năng lượng tối, khối lượng neutrino, v.v.) mà Mô hình Chuẩn không thể giải quyết, người ta có thể cần phải nhìn xa hơn Mô hình Chuẩn và khám phá khả năng tồn tại của các hạt mới, nhẹ hơn tương tác rất yếu với các hạt của Mô hình Chuẩn, cũng như khám phá sự tồn tại của các hạt mới, nặng hơn ngoài tầm với của cơ sở LHC hiện có. Máy Va chạm Tròn Tương lai (FCC) được đề xuất sẽ giúp tìm kiếm sự tồn tại của các hạt cơ bản như vậy ngoài Mô hình Chuẩn. Hội đồng CERN hiện đã xem xét báo cáo Nghiên cứu Khả thi của FCC. Quyết định cuối cùng về việc xây dựng FCC của Hội đồng CERN dự kiến sẽ được đưa ra vào khoảng năm 2028. Nếu được chấp thuận, việc xây dựng FCC có thể bắt đầu vào những năm 2030. Nó sẽ có chu vi khoảng 100 km, nằm sâu khoảng 200 mét dưới lòng đất gần cùng địa điểm với LHC gần Geneva. Nó sẽ kế nhiệm Máy gia tốc hạt lớn (LHC), dự kiến sẽ kết thúc hoạt động vào năm 2041. FCC sẽ được triển khai theo hai giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên, FCC-ee sẽ là một máy gia tốc electron-positron để đo lường chính xác nhằm tìm kiếm các hạt nhẹ hơn, sẽ cung cấp một chương trình nghiên cứu kéo dài 15 năm từ cuối những năm 2040. Sau khi hoàn thành giai đoạn này, một cỗ máy thứ hai, FCC-hh (năng lượng cao), sẽ được đưa vào vận hành trong cùng đường hầm. Giai đoạn thứ hai nhằm đạt được năng lượng va chạm 100 TeV (cao hơn nhiều so với 13 TeV của LHC) để tìm kiếm các hạt nặng hơn. Giai đoạn này sẽ hoạt động vào những năm 2070 và sẽ kéo dài đến cuối thế kỷ 21.
Vào ngày 6-7 tháng 11 năm 2025, Hội đồng CERN (bao gồm các đại biểu từ các quốc gia thành viên và thành viên liên kết của CERN) đã xem xét kết quả của Nghiên cứu khả thi cho Máy va chạm tròn tương lai (FCC) được đề xuất.
Trước đó, CERN đã tiến hành một nghiên cứu đánh giá tính khả thi của Máy Va chạm Tròn Tương lai (FCC) với sự hợp tác của các tổ chức tại các Quốc gia Thành viên, Thành viên Liên kết và các quốc gia khác của CERN. Báo cáo được công bố vào ngày 31 tháng 3 năm 2025, đã được các cơ quan trực thuộc Hội đồng CERN xem xét. Báo cáo cũng được các ủy ban chuyên gia độc lập xem xét, và họ nhận định rằng FCC có vẻ khả thi về mặt kỹ thuật dựa trên các tài liệu được trình bày.
Các đại biểu của Hội đồng CERN hiện đã xem xét báo cáo Nghiên cứu Khả thi của FCC vào ngày 6-7 tháng 11 năm 2025 tại một cuộc họp chuyên đề và kết luận rằng Nghiên cứu Khả thi này cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu của FCC tiếp tục. Đây là một bước quan trọng hướng tới việc Hội đồng CERN có thể phê duyệt FCC vào tháng 5 năm 2026, khi tất cả các khuyến nghị sẽ được trình lên để xem xét. Quyết định cuối cùng về việc xây dựng FCC của Hội đồng CERN dự kiến sẽ được đưa ra vào khoảng năm 2028.
Máy Va chạm Tròn Tương lai (FCC) là một trong những máy va chạm hạt thế hệ tiếp theo được đề xuất tại CERN. Nó dự kiến sẽ thay thế Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC), vốn sẽ ngừng hoạt động vào năm 2041. CERN hiện đang nỗ lực xác định máy va chạm tiếp theo để thay thế LHC, vốn là cỗ máy chủ lực hiện tại của CERN.
Được đưa vào vận hành năm 2008, Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) là một máy va chạm tròn có chu vi 27 km và nằm sâu 100 m dưới lòng đất gần Geneva. Hiện tại, đây là máy va chạm lớn nhất và mạnh nhất thế giới, tạo ra các va chạm ở mức năng lượng 13 teraelectronvolt (TeV), mức năng lượng cao nhất mà một máy gia tốc đạt được cho đến nay. Nó tăng tốc các hadron lên gần tốc độ ánh sáng, sau đó cho chúng va chạm với nhau, mô phỏng các điều kiện của vũ trụ sơ khai.
| Máy gia tốc/Máy va chạm hạt là cửa sổ nhìn vào Vũ trụ sơ khai |
| “Vũ trụ rất sơ khai” ám chỉ giai đoạn sớm nhất của vũ trụ (ba phút đầu tiên ngay sau Vụ Nổ Lớn) khi vũ trụ cực kỳ nóng và hoàn toàn bị chi phối bởi bức xạ. Kỷ nguyên Plank là kỷ nguyên đầu tiên của kỷ nguyên bức xạ, kéo dài từ Vụ Nổ Lớn đến 10-43 s. Với nhiệt độ 1032 K, vũ trụ cực kỳ nóng trong kỷ nguyên này. Tiếp theo kỷ nguyên Planck là kỷ nguyên Quark, Lepton và kỷ nguyên Hạt nhân; tất cả đều tồn tại trong thời gian ngắn nhưng được đặc trưng bởi nhiệt độ cực cao, dần dần giảm xuống khi vũ trụ giãn nở. Việc nghiên cứu trực tiếp giai đoạn đầu tiên này của vũ trụ là không thể. Điều có thể làm là tái tạo các điều kiện của giai đoạn này trong các máy gia tốc hạt. Dữ liệu được tạo ra bởi sự va chạm của các hạt trong máy gia tốc/máy va chạm cung cấp một góc nhìn gián tiếp vào vũ trụ sơ khai. Máy va chạm là công cụ nghiên cứu rất quan trọng trong vật lý hạt. Đây là những cỗ máy tròn hoặc tuyến tính giúp tăng tốc các hạt lên tốc độ rất cao, gần bằng tốc độ ánh sáng và cho phép chúng va chạm với một hạt khác đến từ hướng ngược lại hoặc với một mục tiêu. Các vụ va chạm tạo ra nhiệt độ cực cao, lên đến hàng nghìn tỷ độ Kelvin (tương tự như điều kiện tồn tại trong những kỷ nguyên đầu tiên của kỷ nguyên bức xạ). Năng lượng của các hạt va chạm được cộng lại, do đó năng lượng va chạm cao hơn. Năng lượng va chạm được chuyển hóa thành vật chất dưới dạng các hạt tồn tại trong vũ trụ sơ khai theo đối xứng khối lượng-năng lượng. Ví dụ, khi các hạt hạ nguyên tử (electron) va chạm với các hạt phản vật chất (positron) đối ứng của chúng, vật chất và phản vật chất sẽ hủy diệt nhau và giải phóng năng lượng. Nhiều loại hạt cơ bản mới ngưng tụ từ năng lượng được giải phóng. Các hạt mới có thể là boson Higgs hoặc quark đỉnh, những loại hạt rất nặng trong các khối xây dựng hạ nguyên tử của vật chất. Có thể là các hạt vật chất tối và các hạt siêu đối xứng, những thứ vẫn chưa được khám phá. Những tương tác như vậy giữa các hạt năng lượng cao trong điều kiện tồn tại ở thời kỳ vũ trụ sơ khai đã mở ra những cánh cửa sổ nhìn vào thế giới vốn dĩ không thể tiếp cận được của thời kỳ đó, và việc phân tích các sản phẩm phụ của va chạm làm phong phú thêm hiểu biết của chúng ta về các hạt cơ bản và mở ra một cách để hiểu các định luật vật lý chi phối. Máy gia tốc hạt được sử dụng như những công cụ nghiên cứu để nghiên cứu vũ trụ sơ khai. Các máy gia tốc hạt (đặc biệt là Máy gia tốc hạt lớn LHC của CERN) và các máy gia tốc electron-positron đang dẫn đầu trong việc khám phá vũ trụ sơ khai. Các thí nghiệm ATLAS và CMS tại Máy gia tốc hạt lớn (LHC) đã thành công trong việc phát hiện ra boson Higgs vào năm 2012. (Nguồn: Máy va chạm hạt để nghiên cứu “Vũ trụ rất sơ khai”: Máy va chạm Muon được chứng minh) |
Máy Va chạm Hadron Lớn Độ sáng Cao (HL – LHC) của CERN sẽ tăng cường hiệu suất của LHC bằng cách tăng số lượng va chạm, cho phép nghiên cứu các cơ chế đã biết một cách chi tiết hơn. Dự kiến, máy sẽ đi vào hoạt động vào năm 2029.
Máy Va chạm Tròn Tương lai (FCC) được đề xuất sẽ là một máy va chạm hạt có hiệu suất cao hơn so với Máy Va chạm Hydron Lớn (LHC). Được thiết kế để khám phá sự tồn tại của các hạt mới, nặng hơn, nằm ngoài tầm với của Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) và sự tồn tại của các hạt nhẹ hơn tương tác rất yếu với các hạt của Mô hình Chuẩn, FCC sẽ có chu vi khoảng 100 km, nằm sâu khoảng 200 mét dưới lòng đất, gần cùng vị trí với LHC. Nếu được phê duyệt, việc xây dựng FCC có thể bắt đầu vào những năm 2030.
FCC sẽ được triển khai theo hai giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên, FCC-ee, sẽ là một máy gia tốc electron-positron cho các phép đo chính xác. Nó sẽ cung cấp một chương trình nghiên cứu kéo dài 15 năm, bắt đầu từ cuối những năm 2040. Sau khi hoàn thành giai đoạn này, một máy thứ hai, FCC-hh (năng lượng cao), sẽ được đưa vào vận hành trong cùng đường hầm. Máy này đặt mục tiêu đạt năng lượng va chạm 100 TeV giữa các hadron (proton) và các ion nặng. FCC-hh sẽ đi vào hoạt động vào những năm 2070 và sẽ hoạt động đến cuối thế kỷ 21.
Tại sao cần có FCC? Nó phục vụ mục đích gì?
Toàn bộ vũ trụ quan sát được, bao gồm tất cả vật chất baryon thông thường mà tất cả chúng ta đều cấu thành, chỉ chiếm 4.9% khối lượng năng lượng của vũ trụ. Vật chất tối vô hình chiếm tới 26.8% (trong khi 68.3% khối lượng năng lượng còn lại của vũ trụ là năng lượng tối). Người ta vẫn chưa biết vật chất tối thực sự là gì. Mô hình Chuẩn (SM) của vật lý hạt không có các hạt cơ bản nào có các đặc tính cần thiết để được coi là vật chất tối. Người ta cho rằng có lẽ "các hạt siêu đối xứng" là đối tác của các hạt trong Mô hình Chuẩn tạo ra vật chất tối. Hoặc có lẽ có một thế giới song song của vật chất tối. WIMP (Hạt nặng tương tác yếu), axion hoặc neutrino vô trùng là các hạt được giả thuyết "Vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn" (BSM) là những ứng cử viên hàng đầu. Tuy nhiên, vẫn chưa có thành công nào trong việc phát hiện ra bất kỳ hạt nào như vậy. Còn nhiều câu hỏi mở khác (chẳng hạn như sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất, lực hấp dẫn, năng lượng tối, khối lượng neutrino, v.v.) mà Mô hình Chuẩn không thể trả lời. Ngoài ra, vai trò của trường Higgs trong quá trình tiến hóa của vũ trụ bắt đầu được xem xét sau khi phát hiện ra boson Higgs vào năm 2012 bởi các thí nghiệm ATLAS và CMS tại Máy va chạm Hadron lớn (LHC).
Các câu trả lời khả dĩ cho những câu hỏi mở nêu trên nằm ngoài Mô hình Chuẩn của vật lý hạt. Người ta có thể cần khám phá sự tồn tại của các hạt mới, nhẹ hơn tương tác rất yếu với các hạt của Mô hình Chuẩn. Điều này sẽ đòi hỏi phải thu thập một lượng lớn dữ liệu và độ nhạy rất cao đối với các tín hiệu sản sinh ra các hạt như vậy, thuộc phạm vi giai đoạn đầu tiên của FCC, tức là FCC-ee (đo lường chính xác). Việc khám phá sự tồn tại của các hạt mới, nặng hơn cũng là điều cấp thiết, đòi hỏi các cơ sở năng lượng cao. FCC-hh (năng lượng cao), giai đoạn thứ hai của FCC, nhằm đạt được năng lượng va chạm là 100 TeV (cao hơn nhiều so với 13 TeV của LHC). Đối với hình dạng của máy va chạm electron-positron (e+e-) giai đoạn đầu tiên, hình tròn được ưa chuộng hơn (so với tuyến tính) vì hình tròn cho phép độ sáng cao hơn, lên đến bốn thí nghiệm và cung cấp cơ sở hạ tầng cho máy va chạm hadron năng lượng cao giai đoạn thứ hai tiếp theo.
***
Tài liệu tham khảo:
- CERN. Thông cáo báo chí – Hội đồng CERN xem xét nghiên cứu khả thi cho máy gia tốc hạt thế hệ tiếp theo. Ngày 10 tháng 11 năm 2025. Có sẵn tại https://home.cern/news/press-release/accelerators/cern-council-reviews-feasibility-study-next-generation-collider
- CERN. Thông cáo báo chí – CERN công bố báo cáo về tính khả thi của Máy va chạm tròn tương lai. Ngày 31 tháng 3 năm 2025. Có sẵn tại https://home.cern/news/news/accelerators/cern-releases-report-feasibility-possible-future-circular-collider
- Nghiên cứu khả thi cho Máy va chạm tròn tương lai hiện đã hoàn thiện https://home.cern/science/cern/fcc-study-media-kit
- Máy va chạm tròn tương lai https://home.cern/science/accelerators/future-circular-collider
- FCC: vụ án vật lý. 27 tháng 3 năm 2024. https://cerncourier.com/a/fcc-the-physics-case/
***
Các bài liên quan:
- Máy va chạm hạt để nghiên cứu “Vũ trụ rất sơ khai”: Máy va chạm Muon được chứng minh (31 tháng 2024, XNUMX)
- CERN kỷ niệm 70 năm Hành trình Khoa học Vật lý (2 Tháng Hai 2024)
- Cuối cùng chúng ta được tạo thành từ cái gì? Các Khối Xây Dựng Cơ Bản Của Vũ Trụ là gì? (8 tháng 11 năm 2021)
***
Một số video giáo dục về FCC:
***
 that the Standard Model cannot address, one may need to look beyond the Standard Model of particle physics and explore the possible existence of new, lighter particles that interact very weakly with Standard Model particles, as well as explore the existence of new, heavier particles beyond the reach of existing LHC facility. The proposed Future Circular Collider (FCC) would make it possible to search for the existence of such fundamental particles beyond the Standard Model.){kind=link}