Tìm thấy “hạt của chúa”?

Trong vật lý hạt, hạt cơ bản và các lực sinh ra thế giới xung quanh chúng ta. Để giải thích hành vi của các hạt này và cách chúng tương tác với nhau, các  nhà vật lý  sử dụng “Mô hình chuẩn” - một lý thuyết vật lý hiện đang được chấp nhận rộng rãi và được tin là có thể giải thích được phần lớn thế giới xung quanh chúng ta.

“Mô hình chuẩn” và boson Higgs

Ban đầu, khi các mô hình này được phát triển và thử nghiệm, dường như toán học nằm trong nền tảng của lý thuyết này cấm các hạt cơ bản có bất kỳ khối lượng nào, nghĩa là các mô hình ban đầu của lý thuyết này là không đầy đủ. Vào năm 1964, ba nhóm các nhà vật lý gần như đồng thời công bố các bài báo mô tả làm thế nào các hạt này lại có thể có khối lượng bằng cách sử dụng một cơ chế có tên là phá vỡ đối xứng tự phát.

Một ví dụ đơn giản về cơ chế này là tình huống con lừa Buridan (J. Buridan là một triết gia Pháp, thế kỷ XIV): Hai bó cỏ non giống nhau được đặt hoàn toàn đối xứng ở hai bên mõm của một con lừa đói. Dẫu rằng ta có thể chọn được hai bó cỏ lý tưởng hoàn toàn giống nhau đi nữa thì chú lừa sớm muộn cũng sẽ chén một trong hai bó cỏ đó, nghĩa là con lừa sẽ tự phát phá vỡ đối xứng. Điều thú vị là phá vỡ đối xứng kiểu này lại rất thường xảy ra trong tự nhiên, trong cuộc sống và cả trong... nghệ thuật nữa. Sự phá vỡ đối xứng tự phát cho phép các hạt có được khối lượng mà không vi phạm các phần khác của lý thuyết hạt đã được tin là hợp lý và chính xác. Ý tưởng này được biết đến như là cơ chế Higgs. Sau đó, các thí nghiệm đã xác nhận rằng một cơ chế như vậy là tồn tại nhưng họ không thể biết chính xác nó xảy ra như thế nào.

Lý thuyết hàng đầu và đơn giản nhất cho rằng hiệu ứng này diễn ra trong tự nhiên nếu như tồn tại một “trường” (được biết đến như là trường Higgs) tràn ngập không gian. Nếu nó có thể tương tác với các hạt cơ bản theo một cách đặc biệt, sẽ làm phát sinh cơ chế Higgs trong tự nhiên và do đó sẽ tạo ra xung quanh chúng ta hiện tượng mà chúng ta gọi là “khối lượng”. Trong suốt những năm 1960 và 1970, “Mô hình chuẩn” của vật lý đã được phát triển trên cơ sở này và để bảo đảm những điều này là đúng, nó tiên đoán rằng cần phải có một boson còn chưa được khám phá - một trong những hạt cơ bản - như là bộ phận tương ứng của trường này. Đó chính là boson Higgs.

Nếu boson Higgs được xác nhận tồn tại, như “Mô hình chuẩn” đề xuất, thì các nhà khoa học có thể hài lòng rằng “Mô hình chuẩn” về cơ bản là chính xác. Như vậy, các hạt cơ bản nặng có được khối lượng chính là nhờ  tương tác liên tục với trường Higgs (tuy nhiên, cũng có các hạt cơ bản không có khối lượng, như photon chẳng hạn) và chính vì thế mới tồn tại vật chất thông thường trong thế giới chúng ta. Do vậy, boson Higgs đã trở thành mục tiêu tìm kiếm từ lâu của vật lý hạt. Và một trong những mục tiêu thiết kế chính của máy va chạm Hadron lớn (LHC) tại CERN ở Geneva, Thụy Sĩ, một trong những máy gia tốc phức tạp nhất và lớn nhất từng được xây dựng, chính là để kiểm chứng sự tồn tại của boson Higgs và đo lường các đặc tính của nó.

Vì sao gọi là “hạt của chúa”?

Trong sách báo phổ biến khoa học, boson Higgs còn được gọi là “hạt của chúa”. Duyên do có cái tên này là vào đầu những năm 1990, nhà vật lý đoạt giải Nobel làm việc ở Fermilab tên là Leon Lederman đã viết một quyển sách phổ biến khoa học về cuộc săn tìm boson Higgs. Biên tập viên nhà xuất bản ấy đã đặt ra cái tên “hạt của chúa” làm nhan đề của cuốn sách trên để câu khách, chứ thực ra nhiều khoa học không mấy thích cái tên đó.

Theo mô hình chuẩn, hạt Higgs là một boson, một loại hạt mà cho phép các hạt giống hệt nhau tồn tại ở cùng một vị trí trong cùng một trạng thái lượng tử. Hơn nữa, mô hình tiên đoán rằng hạt này không có spin nội tại, không mang điện và không màu. Nó cũng rất không bền, phân rã gần như ngay lập tức sau khi sinh ra. Tuy “Mô hình chuẩn” không tiên đoán được chính xác khối lượng của boson Higgs nhưng tính toán học chặt chẽ của “Mô hình chuẩn” yêu cầu rằng bất kỳ cơ chế có khả năng tạo ra khối lượng của hạt cơ bản  trở nên phải quan sát được ở năng lượng trên 1,4 TeV, do đó, LHC (thiết kế cho va chạm của hai chùm tia proton7 TeV nhưng hiện mới đang chạy ở 4 TeV) được xây dựng để trả lời các câu hỏi có hay không sự tồn tại của boson Higgs.

Nếu không có hạt Higgs... Hơn 50 năm trước, Peter Higgs và 5 nhà vật lý lý thuyết khác đề xuất rằng có một trường không nhìn thấy được tràn ngập khắp vũ trụ có nhiệm vụ cung cấp khối lượng cho các hạt, cho phép các hạt này có thể  kết hợp với nhau để tạo ra các ngôi sao và các hành tinh trong đó có hệ mặt trời chúng ta. Trường Higgs đã được mô tả như là một loại “nước mật đường” tràn ngập trong vũ trụ. Theo lý thuyết đưa ra năm 1964 của GS Higgs, trường này tương tác với các hạt tạo nên nguyên tử, làm cho chúng trở nên nặng (có khối lượng) để chúng không còn bay nhảy trong không gian với tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, nửa thế kỷ sau khi lý thuyết được 6 nhà vật lý làm việc độc lập nhau tạo ra chỉ cách nhau trong vòng vài tháng, không ai có thể chứng minh được trường Higgs thực sự tồn tại. GS Higgs đã tiên đoán rằng trường này có lượng tử là một hạt boson nặng mà sau này được gọi là hạt Higgs. Theo lý thuyết “Mô hình chuẩn”, khi đó thế giới sẽ hoàn toàn khác. Nếu không có một cái gì đó cung cấp khối lượng cho các viên gạch cơ bản của vật chất thì tất cả mọi thứ sẽ hành xử như ánh sáng, trôi nổi tự do và không kết hợp với các hạt khác. Vật chất bình thường, như ta biết, sẽ không tồn tại.

Theo Phạm Nguyễn / Người Lao Động

>> CERN công bố khám phá về "hạt của Chúa
>> Tìm thấy bằng chứng về "hạt của Chúa"?