Việc săn tìm các hạt Higgs có thể làm thay đổi môn vật lý như thế nào
Các nhà vật lý đã tìm ra 12 hạt cơ bản trong tự nhiên. Bây
giờ sau 50 năm nghiên cứu, hạt khó nắm bắt nhất đã trong tầm tay: hạt boson[1] Higgs. Nhưng nếu cái gọi là 'hạt Thượng đế' thật sự đã được
tìm ra, thì điều đó có nghĩa là sự kết thúc của vật lý học không?
Đây là nói về thời gian. Trong nhiều thập niên,
Peter Higgs đã ngồi - và đợi - trong căn hộ của ông trong một tòa nhà cũ ở
Edinburg gần Quảng trường Moray lịch sử. Tên ông đã xuất hiện trên báo nhiều
lần trong suốt quãng thời gian dài dặc đó.
Thường có những báo cáo rằng một ai đó đã phát hiện ra hạt
cơ bản mang tên ông. Nhưng tất cả hóa ra đều là báo động giả. Thế nhưng lần này
coi có vẻ là chuyện thật. Thứ Ba tuần trước, trung tâm nghiên cứu CERN gần
Geneva tổ chức một seminar về những bước tiến mới trong nghiên cứu về cái gọi
là hạt boson Higgs.
Trong cơ sở nghiên cứu ở dưới chân Dãy núi Jura của Thụy Sĩ,
hiếm khi có tâm trạng căng thẳng như thế này. Các văn phòng trống rỗng, các
phòng thí nghiệm đóng cửa và các quán ăn tự phục vụ bị bỏ không. Mọi người chen
chúc nhau trong giảng đường.
Người ta phải thuê những đội bảo vệ riêng để chắn hai cổng
vào vì có quá nhiều nhà nghiên cứu muốn tham dự seminar này sau khi tin tức lọt
ra ngoài. Nhưng nó cũng là một mẩu tin nước đôi. Một mặt, có những bước phát
triển mới trong nghiên cứu để tìm hạt Higgs, và có khả năng là có thể nhìn thấy
được nó, với trọng lượng khoảng 125 nguyên tử Hydro. Mặt khác, không có bằng
chứng vững chắc nào cho thấy đúng như thế - chỉ có những đầu mối. Tuy nhiên, đó
là "những đầu mối hết sức thú vị," như Tổng Giám đốc CERN Rolf Heuer
nhắc đi nhắc lại nhiều lần. "Tín hiệu vẫn còn rất mờ nhạt", Siegfried
Bethke, giám đốc của Viện Vật lý Max Planck ở Munich nói. Thí nghiệm Atlas
trong đó Bethke có tham gia đã cho ra hàng triệu gigabyte trong năm nay. Dễ gì
đọc ra được một cái gì, có thể còn không có, trong cái mớ bòng bong dữ liệu
này?
"Chín dở"
Phản ứng của cử tọa cũng chỉ là nước đôi. "Cám ơn các
bạn về món quà Giáng Sinh này," một nhà vật lý nói oang oang trong cuộc
thảo luận công khai về các kết quả. Nhưng có một người ngồi ngoài, trong hành
lang, buộc phải theo dõi cuộc họp trên laptop của mình, gọi các kết quả này là
"món bánh nướng chín dở"
Phần lớn các nhà khoa học nhất trí một điểm: rằng các số
liệu chưa thật sự hoàn thiện để công bố cho công chúng. Nhưng chờ đợi lâu hơn
nữa là không thực tế. Cứ biết rằng có hơn 6.000 nhà khoa học của trên 50 nước
đã lao vào săn tìm hạt Higgs này, thì thấy thật không thể cách gì ngăn nổi
thông tin mới khỏi rò rỉ ra công chúng.
Chắc chắn là đã có những mối quan tâm lớn đến hạt boson
Higgs. Hơn 100 nhà báo đã đến CERN để nghe những bài giảng về các mặt cắt của
nguyên tử, độ sáng và các sự kiện gamma gamma. Đã có tin đồn rằng có thể đã tìm
ra cái gọi là "hạt Thượng Đế" - và nhiệm vụ đầu tiên và cơ bản nhất
của máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới ở CERN là tìm ra đúng hạt đó. Ba nghìn tỉ
ơ-rô để tìm một hạt bé xíu? Chắc phải là cái gì đặc biệt lắm.
Một cuộc viếng thăm
căn hộ ở Edinburgh của con người mà tên được đặt cho hạt khó nắm bắt này mới
cho thấy ông là con người khiêm tốn như thế nào. Peter Higgs, một ông già rụt
rè 82 tuổi với mái tóc trắng lưa thưa và nụ cười ngập ngừng. Bằng những câu nói
ngắc ngứ, gần đứt hơi, ông mô tả cái khoảnh khắc ông có ý nghĩ quan trọng duy
nhất trong đời mình. Ông nhớ rất rõ rằng ông đang sắp xếp phân loại các tờ tạp
chí trong thư viện thì cái ý tưởng kích động ấy đến với ông. Ông còn nhớ được
cả ngày tháng: 16 tháng Bảy, năm 1964, cách đây gần 50 năm.
Từ đó đến nay Higgs chưa công bố điều gì đáng kể, và ông
nhận thấy rất rõ rằng một số người giễu cợt ông về chuyện ấy. "Những kẻ
hay châm chọc nói rằng tôi có danh tiếng mà không phải làm gì để có", ông
nói, thêm rằng điều đó không phải hoàn toàn không đúng. Bài báo mở ra sự kiện
này chỉ có một trang rưỡi và chỉ chứa bốn công thức.
Về thực chất, Higgs chỉ đi đến một thủ thuật toán học đơn
giản - nhưng một thủ thuật mới đặc biệt làm sao chứ. Nó vẫn còn có tầm quan
trọng cơ bản cho đến tận hôm nay, bởi vì nó giúp họ hiểu điều lạ lùng của khối
lượng.
Thổi sự sống vào hoang mạc
Không có thủ thuật toán học của người ngoài cuộc xứ Scott
này thì các phương trình trong môn vật lý hạt này nhạt nhẽo và chán ngắt. Chúng
mô tả một vũ trụ trong đó chỉ toàn là những hạt không khối lượng. Nhưng không
có khối lượng thì không một ngôi sao hay một hành tinh nào có thể sinh ra, và
con người thì không thể tồn tại trong một thế giới như thế.
Để thổi sự sống vào hoang mạc này, Higgs đề xuất rằng vũ trụ
được điền đầy bằng một loại xúp của những hạt không nhìn thấy. Mọi vật chất
chuyển động qua thứ chất lỏng này lấy một lượng nhỏ xúp này đi theo, và cái
quán tính sinh ra từ đó đem lại khối lượng cho hạt.
Để hình dung tác dụng 'tự do mang theo' này, nhà vật lý lý
thuyết của CERN, John Ellis so sánh vũ trụ với lớp bùn do thủy triều bồi đắp.
"Các hạt có mang giầy, nên bùn dính vào" ông nói.
Với thủ thuật của mình, Higgs đã cung cấp cho các nhà vật lý
một công cụ để sửa chữa những phương trình của họ. Nhờ vậy chúng đã có thể mô
tả Mô hình Chuẩn của vật chất biểu hiện quan điểm của vật lý học về thế giới
cho đến ngày nay. Các nhà vật lý chỉ cần chứng minh sự tồn tại của các hạt
Higgs là xong.
Trong vật lý học việc phát minh ra một hạt trên giấy trước
rồi sau mới tìm ra nó trong phòng thí nghiệm là chuyện bình thường. Trong
trường hợp của phản vật chất, từ lúc có ý tưởng đến phát hiện thực tế mất bốn
năm, còn để phát hiện ra neutrino[2]
các nhà vật lý đã phải mất hơn 20 năm. Nhưng quãng thời gian giữa ý tưởng và
phát hiện thực tế chưa khi nào dài như với hạt boson Higgs, việc nghiên cứu nó
là cuộc săn tìm một hạt lâu nhất trong lịch sử vật lý học.
Trong những máy gia
tốc hạt đặt ngầm dưới đất ngày càng mạnh, các nhà khoa làm cho các electron, proton, và các hạt khác va chạm nhau với lực ngày càng lúc càng
tăng - với năng lượng phát ra càng lúc
càng nhiều trong quá trình đó.
Các hạt quark mê
hoặc, trên cùng và dưới cùng đã lần lượt được tìm ra, đúng mhư các nhà vật lý
lý thuyết đã tiên đoán. Rồi đến hạt muon[3],
hạt tau[4]
và tau neutrino[5].
Tất cả các hạt cơ bản của vật chất sớm muộn đã được tìm ra cả. Tất cả, chỉ trừ
một hạt: Higgs.
Phải chăng lý thuyết của Higgs sai? Phải chăng vật chất được
tạo ra cách khác?
Cách đây mười một năm các nhà vật lý ở CERN tin rằng họ đã
tóm bắt được một thoáng lướt qua của hạt Higgs trong một máy gia tốc hạt gọi là
Máy Va chạm Election-Positron Lớn, viết tắt là LEP. Họ tin rằng họ đã nhận biết
được các tín hiệu của những số liệu của nó, mặc dù là những tín hiệu rất yếu,
trong một va chạm sinh ra một năng lượng lớn hơn năng lượng của một proton 100
lần.
Phần 2: Điều gì xảy ra cho vật lý học?
Nhưng ban quản lý CERN không cho những người săn đuổi hạt
Higgs đủ thời gian cần thiết trong LEP để đi đến tận cùng điều bí ẩn này. Có
những kế hoạch xây dựng một máy gia tốc hạt lớn hơn, có nghĩa là cái cũ phải
dọn đi nhường chỗ cho nó. Suốt một thập niên, các nhà vật lý ở CERN đã phải chuyển giao lĩnh vực này cho các đối
thủ của họ ở Mỹ, những người này tiếp tục săn tìm hạt Higgs trong máy gia tốc
hạt Tevatron ở gần Chicago.
Trong khi công việc xây dựng Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC)
gần Geneva đang tiến triển, các nhà khoa học châu Âu buộc phải đứng nhìn các
đối thủ của họ làm việc ở Tevatron tiến rất chậm tới mục tiêu của họ. Phải
chăng người Mỹ đã để tuột mất chiến thắng ở chặng cuối cùng? Nỗi lo lắng này
bây giờ chỉ còn là chuyện quá khứ.
Tevatron đã ngưng hoạt động kể từ tháng Mười.
Kết quả là trung tâm mạnh của vật lý năng lượng cao đã
chuyển vùng. Trong khoảng 70 năm kể từ thời Dự án Manhattan dẫn đến việc chế
tạo bom nguyên tử, nó nằm ở bên kia Đại Tây Dương. Bây giờ các nhà khoa học
châu Âu hy vọng rằng việc phát minh ra hạt Higgs sẽ đánh dấu điểm khởi đầu một
kỷ nguyên mới, và môn vật lý của thế kỷ 21 sẽ được phát minh trên cựu lục địa.
Geneva là hạt nhân mới của môn này.
Cuộc tranh đua đã có thời lôi cuốn các nhà khoa học cả hai
bờ Đại Tây Dương bây giờ đang diễn ra duy nhất bên trong CERN. Hai dự án vĩ
đại, Alas và CMS, đang tranh nhau làm kẻ đầu tiên phát hiện ra hạt Higgs.
"Cuộc đua tranh này đang lôi cuốn mọi người," Tổng Giám đốc CERN
Heuer nói.
Một thách thức
Cả hai nhóm nghiên cứu dùng cùng một chùm hạt proton, và cả hai đều ở trong tòa nhà 40
trên khu đất của CERN. Họ đối đầu nhau trong vành tròn của tòa nhà, nơi logo
của thí nghiệm Atlas được trưng bên phải cổng vào và một bức ảnh to như thật
của máy dò của nhóm CMS treo bên trái - một thách thức đối với đấu thủ của họ.
Hôm thứ Ba, hai nhóm tạo một ấn tượng khác đáng chú ý. Người
của Alas dùng một giọng nhỏ nhẹ và cẩn trọng. "Chúng tôi chưa đạt được đến
khoảnh khắc ơrêca thật sự" với
hạt Higgs. Cuộc nghiên cứu để đạt được nó đã kéo quá lâu "nhà khoa học của
Viện Max Planck Bethke nói. Nhưng Guido Toneli của CMS, một người Ý đầy nghị
lực của trường Đại học Pisa nói nhiệt tình hơn: "Đúng vào ngày 8 tháng
Mười Một, ngày sinh của tôi, lần đầu tiên tôi có cảm giác rằng chúng tôi đang ở
mấp mé một bước đột phá."
Thách thức cho cả hai nhóm nghiên cứu là rây qua cơn bão hạt
từ máy gia tốc hạt đổ xuống máy dò của họ để tìm ra những hạt xuất phát từ sự
phân rã của một hạt Higgs. Cứ như thể tự nhiên đã rán hết sức để chế nhạo sự tò
mò của họ. Trong nghiên cứu không có chỗ nào khó khăn hơn giải năng lượng lớn
vào khoảng 125 lần khối lượng một proton, trong đó các nhà khoa học hiện giờ
tin rằng họ đã định vị được mục tiêu của họ.
Theo lý thuyết, hạt Higgs được tạo ra từng phút nhưng đại đa
số chúng biến đi không thể thấy lại được trong cơn mưa hạt này. Chỉ có khoảng
một trong 1.000 hạt Higgs phân rã thành những lượng tử gamma năng lượng cao -
và các nhà khoa học hy vọng chúng là những khoảnh khắc hiếm hoi trong đó có thể
phát hiện được hạt này.
Nhưng số sự kiện như thế vẫn còn quá nhỏ để các nhà vật lý
tin rằng họ đúng. Tuy nhiên, họ được cổ vũ bởi sự kiện là cả hai nhóm nhà khoa
học Atlas và CMS đang nhìn thấy cùng một tín hiệu. Hai nhóm nhất trí rằng vấn
đề này sẽ được giải quyết không muộn hơn cuối năm tới. "Tồn tại hay không
tồn tại", Heuer nói. "Trong vòng một năm chúng ta sẽ có câu trả lời
cho câu hỏi này của Shakespeare."
Và sau đó? Một khi mà mọi thứ đã được tìm ra cả rồi, liệu
người ta có bắt đầu chán nản vì còn chi nữa mà tìm.
Những cái cần nhất trong danh mục các việc cần
làm
Heuer sẽ là nhà quản lý phòng thí nghiệm tồi nếu ông không
có câu trả lời cho những câu hỏi này. Đối với ông, điều cảm thấy như sự kết
thúc cuộc săn tìm một hạt kéo dài nhiều thập niên thật sự đánh dấu sự bắt đầu
một kỷ nguyên mới. Trong khoảng 80 năm các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra cái
mà các nhà lý thuyết đã tiên đoán từ lâu. Bây giờ Heuer và các đồng nghiệp của
ông muốn lao vào cuộc thám hiểm miền đất hoàn toàn chưa khai phá.
Các nhà lý thuyết cũng đã gửi những đoàn quân xung kích vào
vùng đất bên ngoài Mô hình Chuẩn. Họ không thiếu ý tưởng về điều gì gắn kết thế
giới trong tận cùng sâu thẳm của kết cấu của nó, ý tưởng về những kích thước bổ
sung, những thớ siêu đối xứng và những vũ trụ song song.
Nhưng tất cả những trò chơi trí tuệ này vận động bên trong
địa hạt suy luận. Các nhà lý thuyết không thể đạt được tiến bộ nào nếu không có
những số liệu thí nghiệm vững chắc.
Đây chính xác là cái mà LHC ở Geneva hiện đang mong chờ cung
cấp. Giám đốc CERN mô tả bí mật sẽ được công bố: "Chỉ có 4 phần trăm vũ
trụ bao gồm vật chất thấy được. Phần còn lại là năng lượng tối và vật chất
tối." Fabriona Gianotti, người phát ngôn của nhóm thí nghiệm Atlas, mô tả
bằng một cách nói văn vẻ hơn "Cái chúng ta đã biết giống như một giọt
nước, nhưng cái chúng ta không biết là một đại dương."
Các nhà khoa học cũng đã để mắt tới một ứng viên cho cái có
thể làm thành vật chất tối. Nó được gọi bằng cái tên du dương là neutralino.
Hạt nhỏ xíu này xuất phát từ một khái niệm giả định rằng mỗi
hạt có một đối tác ẩn giấu. Cái ý tưởng ấy được gọi là "siêu đối
xứng", biệt hiệu "Susi". Theo thuyết này, một trong những đối
tác Susy, neutralino, có chính xác
những thuộc tính được gán cho vật chất tối, đó là lý do tại sao nó đứng dầu
danh sách những việc cần làm của các nhà vật lý LHC.
Siêu đối xứng cũng có thể làm sống lại cuộc săn lùng hạt
Higgs. Lý thuyết của nó không chỉ cung cấp những đối tác mới cho các hạt quark, electron và neutrino, mà còn che giấu các hạt Higgs khác - ít nhất là năm hạt,
các nhà lý thuyết nói.
Christopher Sultan dịch từ tiếng Đức
[1] Hạt boson: Loại hạt tuân theo qui luật
thống kê Boso-Einstein, gọi theo tên nhà vật lý Ấn Độ Satyendra Nath Boso.
[2] Một hạt cơ bản thuộc họ lepton có khối lượng cực nhỏ nhưng khác
không, và không mang điện. Nó tương tác với xung quanh bằng lực cực yếu nên rất
khó tìm ra nó.
[3] Hạt cơ bản không ổn định thuộc họ lepton, có những đặc tính tương tự như electron nhưng lớn hơn 209 lần
[4] Hạt lepton nặng, phân rã thành muon hoặc electron
[5] Hạt cơ
bản thuộc họ lepton có khối lượng lớn
hơn electron 60 lần và không mang
điện
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét