Tại sao các nhà vật lý lại cố gắng đưa một con chồn vào máy gia tốc hạt?

Vào tháng 2 năm 1971, các nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia ở Batavia, Illinois, bắt đầu thử nghiệm cỗ máy lớn nhất thế giới.

Felicia có một nhiệm vụ phải thực hiện.

Một vấn đề lớn với máy gia tốc hạt

Vào tháng 2 năm 1971, các nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia ở Batavia, Illinois, bắt đầu thử nghiệm cỗ máy lớn nhất thế giới: một máy gia tốc hạt proton synchrotron dạng vòng có công suất 200 tỷ electron-volt (BeV*). Đây là một dự án với áp lực lớn. Giám đốc NAL, Bob Wilson, đã cam kết với Bộ Năng lượng Hoa Kỳ rằng ông có thể hoàn thành máy trong vòng 5 năm với chi phí 250 triệu USD, và họ đã đi được 4 năm. Tuy nhiên, họ sớm gặp phải một vấn đề phức tạp: Các nam châm thiết yếu cho hoạt động của máy liên tục bị hỏng.

Giải pháp công nghệ thấp được đề xuất cho vấn đề công nghệ cao này? Một con chồn tên là Felicia.

Nền tảng về máy gia tốc

Trước tiên, hãy tìm hiểu một chút về bối cảnh. NAL – ngày nay được biết đến với tên Fermilab, đặt theo tên nhà vật lý Enrico Fermi – sở hữu một chuỗi máy gia tốc: một máy gia tốc tuyến tính (linac), một máy tăng tốc (booster), một vòng tái chế (recycler ring), và một vòng bơm chính (main injector ring). Máy linac cung cấp chùm proton và một lượng năng lượng ban đầu; máy booster tăng tốc chùm proton; vòng recycler tập hợp các proton thành nhóm để tạo ra chùm mạnh hơn; và vòng main injector gia tốc chùm lên gần tốc độ ánh sáng qua hàng chục nghìn vòng quay. Các hạt sau đó được gửi đến các cơ sở thử nghiệm, nơi chúng bị đập vào nhau hoặc va chạm vào mục tiêu cố định. Các vụ va chạm này, được quan sát bởi máy dò hạt, tiết lộ cấu trúc bên trong của chúng và đôi khi tạo ra các hạt lạ. Đây chính là các thành phần cơ bản nhất của vũ trụ.

Vào năm 1971, thiết kế của máy gia tốc đơn giản hơn nhiều; ví dụ, vòng bơm chính và vòng tái chế chưa tồn tại. Thay vào đó, có một máy gia tốc gọi là main ring với chu vi dài tới 4 dặm. Máy này được trang bị các nam châm có nhiệm vụ dẫn hướng chùm hạt qua các máy gia tốc: 774 nam châm lưỡng cực – để điều khiển chùm hạt – và 240 nam châm tứ cực – để tập trung chùm hạt, như nhà vật lý Ryuji Yamada, người thiết kế nam châm lưỡng cực, nhớ lại.

Sự cố của các nam châm

Đây không phải là loại nam châm tủ lạnh bình thường: Mỗi chiếc dài 20 feet và nặng gần 13 tấn. Ban đầu, chỉ hai nam châm gặp trục trặc khi lớp cách nhiệt bằng sợi thủy tinh quanh cuộn dây của chúng bị hỏng. Tuy nhiên, tình trạng này nhanh chóng trở nên nghiêm trọng hơn với hai nam châm hỏng mỗi ngày. Trong vài tháng sau đó, đội ngũ đã phải thay thế tới 350 nam châm.

Mặc dù vậy, vào ngày 30 tháng 6 năm 1971, họ đã thành công trong việc đưa chùm hạt đi hết một vòng quanh main ring lần đầu tiên. Đến tháng 8, họ thậm chí còn đưa chùm hạt quay được 10.000 vòng. Nhưng khi họ cố gắng tăng tốc hạt vượt quá 7 BeV, các nam châm lại ngừng hoạt động.

Ryuji Yamada cuối cùng đã phát hiện ra nguyên nhân: những mảnh kim loại nhỏ còn sót lại sau khi cắt các ống chân không. Khi các nam châm được kích hoạt với trường cao hơn, ông viết, các mảnh kim loại này bị hút vào khe hở nam châm, dựng đứng lên và chặn chùm hạt, vì chúng là vật liệu hơi từ tính.

Họ cần phải làm sạch các mảnh kim loại này. Nhưng làm cách nào?

Đưa ra giải pháp chồn Felicia

Kỹ sư người Anh Robert Sheldon, người được tuyển dụng vào NAL để tìm kiếm các cách làm ngắn gọn và tiết kiệm chi phí, đã đưa ra một ý tưởng khác thường: sử dụng một con chồn được trang bị công cụ làm sạch. Nó có thể chạy qua các ống chân không, giống như cách người đi săn ở Yorkshire dùng chồn để đuổi thỏ ra khỏi hang. Một con chồn sẽ không ngần ngại chạy sâu vào trong ống thép không gỉ, ngay cả khi hành trình đó là một chuyến đi dài vào nơi không xác định, Frank Beck, cựu trưởng bộ phận dịch vụ nghiên cứu tại Fermilab, viết.

Con chồn được giao đến từ Wild Game and Fur Farm ở Gaylord, Minnesota. Với chiều dài 15 inch, nó là con chồn nhỏ nhất mà họ từng thấy. Lông của nó có màu nâu và đen, chỉ trừ các mảng trắng trên mặt. Họ gọi nó là Felicia. Giá của nó là 35 USD.

Đội ngũ đã đặt một vòng cổ tùy chỉnh quanh cổ Felicia và một chiếc tã quanh phía sau của nó – phân chồn trong ống cũng có thể làm ngừng chùm proton. Họ gắn một sợi dây vào vòng cổ. Nhiệm vụ của Felicia là kéo sợi dây từ một đầu ống sang đầu kia. Sau đó, họ sẽ gắn một đầu chổi tẩm chất tẩy rửa vào dây và kéo nó qua ống.

Felicia từ chối nhiệm vụ ban đầu

Nhưng Felicia đã từ chối chui vào ống chân không của vòng main ring. Có lẽ con chồn cảm thấy sợ hãi bởi vòng tròn đen hẹp và tối – với chu vi lên đến 4 dặm.

Trước một con chồn bất hợp tác, các nhà khoa học đã chuyển nhiệm vụ của cô sang một phần ống rộng 12 inch tại Phòng thí nghiệm Meson, một cơ sở thử nghiệm đang trong quá trình xây dựng. Cô ấy được dạy để chạy qua các đường hầm ngày càng dài cho đến khi sẵn sàng thử sức với một đoạn dài 300 foot sẽ được ghép lại để tạo thành các ống của Phòng thí nghiệm Meson, tạp chí Time cho biết.

Sau lần thử đầu tiên, Felicia xuất hiện trông hơi mệt mỏi và bối rối nhưng nhìn chung khá khỏe mạnh, theo Beck. Cô đã kéo sợi dây qua toàn bộ đoạn ống. Như kế hoạch, các công nhân đã kéo chổi tẩm chất làm sạch qua ống, và nó ra ngoài với đầy các hạt bụi và thép.

Thành công và sự nổi tiếng của Felicia

Truyền thông nhanh chóng biết đến những cuộc phiêu lưu của Felicia. Sau bảy lần chạy thành công, Time thậm chí tự hỏi liệu cô có nên được thưởng một bạn đời hay không. Một quan chức giấu tên trả lời: Nếu Felicia mang thai, cô ấy có thể không chui qua được ống nữa.

Theo Valerie Higgins, nhà lưu trữ và sử gia tại Fermilab, Felicia có lẽ không gặp nguy hiểm trong các lần thực hiện nhiệm vụ. Các phần ống mà cô ấy chạy qua vẫn đang trong giai đoạn xây dựng, nên tôi nghĩ rằng chúng không có điện trong thời điểm đó, bà nói. Về khả năng bị kẹt hoặc ngạt thở: Tôi nghĩ họ chỉ dựa vào bản năng tự nhiên của loài chồn khi khám phá đường hầm, vì vậy tôi không nghĩ cô ấy sẽ đi vào đường hầm quá nhỏ so với mình.

Nhân viên tại NAL rất cưng chiều Felicia, cho cô ăn gà, gan, đầu cá và hamburger sống – món ăn yêu thích của cô. Một số nhân viên thậm chí đưa Felicia về nhà khi trang trại chồn mà cô thường ở không còn chỗ.

Giải pháp chồn từ tính

Trong khi đó, kỹ sư Hans Kautzky đã tạo ra một chồn từ tính để xử lý các mảnh vụn trong vòng main ring. Ông gắn một tá đĩa Mylar vào một thanh thép không gỉ, cùng với một sợi cáp thép linh hoạt dài 700 mét – tương đương với sợi dây của Felicia – và một nam châm vĩnh cửu hút kim loại – tương tự như chổi làm sạch. Thiết bị này được đẩy qua một đoạn của main ring bằng khí nén. Với 12 lần vận hành, chúng tôi có thể làm sạch toàn bộ vòng, Yamada viết. Bằng cách này, chúng tôi có thể làm sạch ống chân không, dù không hoàn hảo.

Nhưng cách này đủ hiệu quả, vì trong vài tháng tiếp theo, đội ngũ đã dần dần tăng mức năng lượng mà không làm hệ thống bị ngắt. Vào ngày 1 tháng 3 năm 1972, máy gia tốc đạt được mức năng lượng mục tiêu là 200 BeV.

Kết thúc hành trình của Felicia

Sau hơn một chục lần chạy qua các ống của Phòng thí nghiệm Meson – những đoạn ống, khi được ghép lại, trở nên quá dài so với cô – Felicia bước vào giai đoạn nghỉ hưu bán phần và dành phần lớn thời gian như một thú cưng tại trang trại chồn. Một đêm vào mùa xuân năm sau, khi đang ở nhà của Charles Crose, một nhân viên NAL, cô bị ốm. Crose đã đưa cô đến bác sĩ thú y vào ngày hôm sau. Dưới sự chăm sóc y tế, cô hồi phục ngắn ngủi nhưng qua đời vài ngày sau đó, vào ngày 9 tháng 5 năm 1972. Một cuộc khám nghiệm cho thấy cô bị vỡ áp xe trong đường ruột. The Village Crier ghi nhận: Kế hoạch là cơ thể Felicia sẽ được nhồi bông và trưng bày vĩnh viễn như một biểu tượng của sự phát triển ban đầu tại NAL.

Tuy nhiên, nếu Felicia thực sự được nhồi bông, không có hồ sơ nào ghi lại điều đó. Tôi chưa bao giờ tìm thấy bất kỳ bằng chứng nào về việc đó, và không ai nhớ chuyện đó đã từng xảy ra, Higgins nói. Bà đã cố gắng liên lạc với những người từng làm việc với Felicia hoặc có thêm thông tin về số phận của cô sau khi chết nhưng không thành công. Nhiều người trong số đó đã qua đời.

Hầu hết các hiện vật lịch sử liên quan đến Fermilab được lưu giữ tại một kho mà Higgins quản lý. Liệu có khả năng Felicia đang nằm ở đâu đó, sâu bên trong một kệ?

Điều đó rất khó xảy ra, Higgins nói. Tôi sẽ rất vui nếu tìm thấy cô ấy, nhưng ở thời điểm này, không còn nhiều góc mà người ta chưa khám phá tới.

Di sản của Felicia

Ngày nay, Fermilab là một trong 17 phòng thí nghiệm quốc gia và có nhiều máy gia tốc hạt. Trong 13 hạt cơ bản được biết đến trong Mô hình Chuẩn của vũ trụ – sáu quark, sáu lepton và hạt Higgs-Boson – ba hạt đã được phát hiện tại đây: quark dưới vào năm 1977, quark trên vào năm 1995, và neutrino tau vào năm 2000.

Theo Andre Salles, người phát ngôn của Fermilab, khu phức hợp máy gia tốc hoạt động 24 giờ mỗi ngày, quanh năm, trừ một số giai đoạn được lên kế hoạch để bảo trì. Trong các lần bảo trì, ống dẫn sẽ được làm sạch. Đối với các đoạn ngắn, các nhân viên máy gia tốc gắn một miếng giẻ vào một que dài và kéo qua. Với các đường hầm dài, họ sử dụng phương pháp mà Felicia đã làm nên tên tuổi: Họ thường dùng một sợi dây, Salles nói, và chỉ cần kéo chổi qua.