Mô phỏng va chạm hạt tại ATLAS: sẽ tìm thấy SUSY ẩn giấu trong dữ liệu LHC chăng? (Ảnh: CERN)
Những kết quả đầu tiên về siêu đối xứng từ Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) đã được các nhà vật lí phân tích và một số người cho rằng lí thuyết trên có thể gặp trở ngại. Dữ liệu thu từ những va chạm proton ở cả hai thí nghiệm Compact Muon Solenoid (CMS) và ATLAS đều không thể hiện bằng chứng nào cho các hạt siêu đối xứng – hay siêu hạt – những hạt tiên đoán bởi lí thuyết mở rộng này của Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt cơ bản.
Siêu đối xứng (hay SUSY) là một khái niệm hấp dẫn vì nó mang lại một lời giải cho “bài toán thứ bậc” của ngành vật lí hạt, mang lại một phương thức thống nhất lực mạnh và lực điện yếu, và thậm chí còn chứa một hạt vật chất tối nữa. Một kết quả quan trọng của lí thuyết trên là mỗi hạt đã biết đều có ít nhất một hạt siêu đối xứng – hay “siêu hạt”. Chẳng hạn, hạt neutrino quen thuộc xuất hiện cùng với hạt neutralino cho đến nay chưa phát hiện ra. Người ta nghĩ những siêu hạt này có khối lượng chừng một teraelectronvolt (TeV), nghĩa là chúng sẽ được tạo ra tại LHC.
Hồi tháng 1, chương trình hợp tác CMS đã báo cáo kết quả tìm kiếm của nhóm về siêu đối tác của quark và gluon, gọi là squark và gluino, trong máy dò hạt. Nếu những siêu hạt nặng này đã được tạo ra trong các va chạm proton-proton, thì người ta nghĩ chúng sẽ phẩn hủy thành các quark và gluon và một neutralino bền, tương đối nhẹ.
Câu trả lời của SUSY cho vật chất tối
Các quark và gluon tiêu hao năng lượng liên kết vào khối lượng của siêu hạt bằng cách tạo ra một đợt thác gồm những hạt khác, tạo ra những vết tia trong máy dò hạt. Nhưng neutralino là câu trả lời của siêu đối xứng cho khối lượng không nhìn thấy của vũ trụ, gọi là vật chất tối. Chúng thoát ra khỏi máy dò hạt không nhìn thấy được, sự có mặt của chúng chỉ được suy luận ra qua “năng lượng bị mất” trong máy dò hạt.
Các nhà vật lí CMS đang săn tìm SUSY trong dữ liệu va chạm của họ bằng cách khảo sát hai hoặc nhiều tia vật chất trùng khớp với năng lượng còn thiếu. Thật không may, số lượng va chạm đáp ứng những điều kiện này không nhiều hơn trông đợi đối với riêng nền vật lí Mô hình Chuẩn. Kết quả là chương trình hợp tác trên chỉ có thể báo cáo những giới hạn mới về một biến thể của SUSY gọi là mô hình chuẩn siêu đối xứng ràng buộc tối thiểu (SMSSM) với siêu hấp dẫn tối thiểu (mSUGRA).
Các nhà hợp tác ATLAS lựa chọn một sự phân hủy khả dĩ khác cho siêu hạt giả định trên; họ tìm kiếm một electron hoặc người họ hàng nặng hơn của nó, hạt muon, xuất hiện đồng thời với tia vật chất và năng lượng còn thiếu. Các nhà nghiên cứu ATLAS đã nhìn thấy ít sự kiện phù hợp với tìm kiếm của họ hơn và vì thế có thể đặt ra những giới hạn cao hơn, bác bỏ những khối lượng glunio dưới 700 GeV, giả sử rằng một CMSSM và mô hình mSUGRA trong đó các khối lượng squark và glunio là bằng nhau.
Điềm lành hay điềm gỡ?
Nhiều người tin rằng những giới hạn này không hẳn là điềm gỡ đối với SUSY. Những phiên bản bao quát nhất của lí thuyết trên có hơn một trăm biến thể, cho nên những lí thuyết con này làm đơn giản hóa ý tưởng trên đến chỗ nó có thể đưa ra những tiên đoán về các tương tác hạt. “Đó đúng là một cách để so sánh với những thí nghiệm trước đây”, phát biểu của nhà vật lí CMS Roberto Rossin ở trường Đại học California, Santa Barbara. “Không ai thật sự tin rằng đây là mô hình mà tự nhiên đã chọn”.
Cộng tác viên ATLAS, Amir Farbin ở trường Đại học Texas, Arlington, gọi những kết quả đầu tiên này là “món khai vị” cho các tìm kiếm SUSY được trình bày tại hội nghị Moriond Tháng ba ở La Thuile, Italy. “Ở đây, chúng tôi thật sự không bác bỏ lí thuyết nào hết”, ông nói.
Tuy nhiên, các nhà khoa học CMS Tommaso Dorigo thuộc Viện Vật lí Hạt nhân Quốc gia ở Padova, Italy, và Alessandro Strumia thuộc Viện Hóa Lí và Sinh Lí học ở Tallinn, Estonia, cho biết có một số nguyên do khiến người ta lo ngại. Siêu đối xứng phải “phá vỡ”, tạo ra các siêu hạt nặng hơn nhiều so với đối tác của chúng. Họ nêu lí do rằng điều này sẽ xảy ra ở năng lượng bằng với năng lượng phá vỡ sự đối xứng điện yếu – năng lượng tại đó các hạt mang lực yếu trở nên nặng còn các photon vẫn không khối lượng.
Người ta nghĩ điều này xảy ra trong vùng phụ cận của 250 GeV. “Nhưng các kết quả LHC hiện nay cho chúng ta biết rằng các hạt siêu đối xứng phải ở mức đâu đó trên mức lực yếu”, Strumia nói.
Dorigo lưu ý rằng mặc dù SUSY có thể cho phép các khối lượng siêu hạt cao, nhưng lợi ích chính của việc giải bài toán thứ bậc của nó là “tự nhiên” hơn đối với các khối lượng ở gần cấp độ điện yếu. Bài toán thứ bậc liên quan đến các hạt ảo kéo theo khối lượng của boson Higgs. Trong khi các hạt siêu đối xứng có thể triệt tiêu hiệu ứng này, thì các mô hình trở nên rất phức tạp nếu như các siêu hạt có khối lượng quá lớn.
John Ellis ở CERN và trường Cao đẳng Hoàng gia London không đồng ý rằng các kết quả LHC mang đến những bài toán mới cho sự siêu đối xứng. Vì LHC cho va chạm các quark và gluon tương tác mạnh bên trong proton, cho nên nó có thể dễ dàng nhất là sinh ra các đối tác tương tác mạnh của chúng, tức là các squark và glunio. Tuy nhiên, trong nhiều mô hình siêu đối xứng, các đối tác của electron, muon và photon là nhẹ hơn, và khối lượng của chúng có thể vẫn ở gần cấp độ điện yếu, ông nói.
Các tìm kiếm chuẩn
Cộng tác viên CMS, Konstantin Matchev ở trường Đại học Florida, Gainesville, giải thích rằng nền vật lí mới được trông đợi trong khoảng 1 – 3 TeV – một ngưỡng mà các thí nghiệm LHC khó mà bắt đầu khảo sát nổi. Đặc biệt, ông lưu ý rằng trong số 14 tìm kiếm “chuẩn” mà các cộng tác viên CMS đặt ra, thì những dữ liệu này chỉ mới được kiểm tra hai điều kiện đầu mà thôi.
“Trong ba năm, nếu như chúng tôi bao quát hết những điểm chuẩn này, thì chúng tôi có thể nói rằng viễn cảnh trước mắt không còn tốt lành gì nữa. Hiện nay, vấn đề chỉ mới bắt đầu thôi”, Matchev nói.
Những không phải ai cũng lạc quan về việc khám phá SUSY. “Tôi nghĩ, chúng ta sẽ đi vào khủng hoảng, trong một vài năm tới”, Dorigo dự đoán, ông hoài nghi lí thuyết trên vì nó đưa ra quá nhiều hạt mới trong mớ dữ liệu hiện nay thể hiện “chẳng có gợi ý nào”. Tuy nhiên, mặc dù ông sẽ thua cược 1000 đô la, nhưng ông cho biết ông sẽ vẫn là một trong những hoan nghênh nhiệt liệt nhất nếu như LHC tìm ra các siêu hạt.
Nguồn: Kate McAlpine – physisworld.com
