Sâu dưới lòng đất, gần Hồ Geneva, các máy dò khổng lồ tại máy gia tốc hạt "Large Hadron Collider" (LHC) của CERN (Tổ chức Châu Âu về Vật lý Hạt Năng lượng Cao), sàng lọc dòng hạt hạ nguyên tử và thu thập lượng dữ liệu khổng lồ mà các thuật toán mạnh mẽ đánh giá. Các công nghệ hiện đại có thể nhìn thấy trên quy mô lớn những gì kết hợp vũ trụ lại với nhau ở quy mô nhỏ như chúng ta biết.
Một cột mốc quan trọng trong vật lý hạt là việc phát hiện ra hạt hạ nguyên tử, cái gọi là hạt Higgs, vào năm 2012 tại CERN. Các nhà khoa học Robert Brout, François Englert và Peter Higgs đã dự đoán về sự tồn tại của nó ngay từ những năm 1960. Nói một cách chính xác, theo mô hình tiêu chuẩn của vật lý áp dụng vào thời điểm đó, không thể có bất kỳ khối lượng nào. Các hạt nguyên tử được cho là di chuyển với tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, như tôi đã nói, điều này có nghĩa là chúng sẽ không có bất kỳ khối lượng nào. Tuy nhiên, ba nhà nghiên cứu đã phát triển lý thuyết về trường Higgs. Người ta cho rằng trường Higgs làm chậm các hạt nhỏ nhất - có thể so sánh với các hạt cầu nhỏ bay qua mật ong - và tạo cho chúng quán tính và do đó có khối lượng. Và thực sự, 50 năm sau, thời điểm đã đến: trong các thí nghiệm ở LHC, các proton được tăng tốc gần bằng tốc độ ánh sáng để cho phép chúng va chạm với nhau. Trong quá trình này, các hạt Higgs được giải phóng khỏi trường Higgs và có thể đo được và do đó thực sự có thể phát hiện được. Sự tồn tại của vật chất đã được chứng minh. Higgs và Englert nhận giải Nobel Vật lý cho lý thuyết của họ vào năm 2013, Brout qua đời vào năm 2011.
Nghiên cứu tại CERN có nghĩa là công việc khoa học trên một quy mô ngoạn mục. Được thành lập vào năm 1954, trung tâm nghiên cứu, được tài trợ bởi 22 quốc gia với gần một tỷ euro mỗi năm, hiện sử dụng hơn 2.500 nhà khoa học. Hơn 12.000 nhà khoa học khách mời từ khắp nơi trên thế giới làm việc trên các thí nghiệm CERN. Phòng thí nghiệm lớn nhất thế giới về vật lý hạt vận hành một số máy gia tốc ghép nối với nhau cung cấp các loại hạt khác nhau cho nhiều loại thí nghiệm. Chúng bao gồm các hạt muon để khảo sát cấu trúc của proton, các ion nặng để tạo ra các trạng thái mới của vật chất và các chùm ion phóng xạ để quan sát các hạt nhân kỳ lạ.
Máy gia tốc hạt lớn nhất và mạnh nhất thế giới là LHC. Nó nằm dưới lòng đất khoảng 100 mét trong một đường hầm hình tròn có chu vi khoảng 27 km. LHC sử dụng điện trường mạnh để truyền năng lượng cho các chùm hạt và sử dụng từ trường để dẫn các chùm tia đi qua hệ thống. Các hạt hấp thụ ngày càng nhiều năng lượng gia tốc cho đến khi chúng quay quanh LHC với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng - 11,245 lần mỗi giây. Nếu chúng va chạm, bốn máy dò khổng lồ - CMS, ATLAS, ALICE và LHCb - ghi lại những gì đang xảy ra.
Máy dò CMS là một thiết bị phát hiện được phát triển công nghệ tiên tiến dài 21 mét, đường kính 15 mét và trọng lượng 12.500 tấn. Bao gồm 100 triệu phần tử đo riêng lẻ, nó thực hiện tới 40 triệu phép đo mỗi giây và được coi là một trong những công cụ khoa học phức tạp và chính xác nhất từng được chế tạo. Để tránh sai số đo, tất cả các yếu tố ảnh hưởng phải nằm trong dung sai xác định.
Các yếu tố ảnh hưởng này cũng bao gồm thành phần của môi trường xung quanh và không khí thở trong các hang thí nghiệm dưới lòng đất. Do đó, không khí liên tục được lấy mẫu và phân tích tại hơn 100 điểm đo bên trong và bên ngoài máy dò để xác định điều kiện hoàn hảo nhất quán. Điều này càng quan trọng hơn bởi vì "Compact", như có trong tên thí nghiệm CMS, cũng có nghĩa là người ta không thể can thiệp nhanh chóng ở mọi nơi và mọi thời điểm. Bởi vì trong trường hợp nguy cấp, chẳng hạn như rò rỉ khí đốt hoặc hỏa hoạn bên trong máy dò, sẽ mất đến 2 tuần để tiếp cận các khu vực bên trong thông qua các lỗ thoát hiểm.
Trước đây, mỗi điểm lấy mẫu không khí riêng lẻ đều có thiết bị phân tích riêng nên chi phí cao. Nỗ lực bảo trì và tỷ lệ lỗi có thể xảy ra cũng quá cao so với tiêu chuẩn CERN. Kể từ đầu năm 2016, van cụm kiểu VTSA đã đảm bảo rằng các dòng khí được chuyển đến các thiết bị phân tích nhanh nhất có thể. Giải pháp mới làm giảm số lượng thiết bị phân tích theo yêu cầu ở hệ số 10. Các luồng không khí giờ đây được tập trung lại với nhau và được gán cho các thiết bị phân tích hạ lưu. Các van chính của VTSA, được vận hành thử nghiệm bằng khí nén, có ưu điểm là không nhạy cảm với từ tính của máy dò CMS. Van cụm được cấu hình theo các yêu cầu riêng để sử dụng tại CERN. Sự thích ứng kỹ thuật quan trọng nhất: hoạt động thuận nghịch.
Trong hoạt động bình thường, không khí cần phân tích của đo chì được dẫn qua một đường đo thông qua van cụm đến trạm phân tích hạ lưu. Đồng thời, tất cả các đo chì dài hàng mét khác đều được hút vĩnh viễn trong hoạt động áp suất âm. Khi chuyển sang đo chì tiếp theo, do đó không khí xung quanh hiện tại nằm trực tiếp tại van tương ứng. Với ứng dụng linh hoạt này, các thành phần tiêu chuẩn chất lượng cao của VTSA cung cấp giải pháp kỹ thuật thông minh giúp CMS tăng hiệu quả bền vững về hiệu suất và chi phí.
Dự án chung về phân tích không khí tự động bắt đầu vào tháng 8 năm 2015; Các đơn vị đã được giao vào cuối tháng Mười. Hệ thống mới được đưa vào hoạt động đầu năm 2016. “Chúng tôi chọn Festo là nhà cung cấp công nghệ này vì chúng tôi đã sử dụng các sản phẩm của Festo tại CERN và CMS trong nhiều năm để hoàn toàn hài lòng,” Gerd Fetchenhauer, giám đốc an toàn khí CMS tại CERN giải thích.
Cho đến nay, chủ yếu là các thành phần riêng lẻ đã được mua sắm, nhưng giải pháp hệ thống sẵn sàng cài đặt là giải pháp đầu tiên thuộc loại này trong nhiều năm hợp tác giữa Festo và CERN và có thể tạo cơ sở cho các ứng dụng tương tự trong các thiết bị dò tìm khác của Large Hadron Collider. Vì vậy, nhiều bước nhỏ sẽ tiếp tục dẫn đến những khám phá khoa học mới, quan trọng trong tương lai.