Cuộc truy tìm hạt “Boson Higgs” và vấn đề đặt ra cho vật lí hiện đại

Hạt “Boson Higgs” và cuộc truy tìm…

Từ thời Democrite, nhà bác học cổ Hy Lạp thế kỉ thứ V (TCN) cho đến thế kỉ thứ XIX (SCN) con người vẫn cho rằng thành phần nhỏ nhất của vật chất – không thể phân chia được – đó là hạt nguyên tử (atomos). Những khám phá của các nhà khoa học sau đó như Thomson, vợ chồng Pierre và Marie Curie… cho rằng nguyên tử không phải là không phân chia được; nguyên tử là một thế giới phức tạp bao gồm nhiều hạt nhỏ hơn. Các nhà khoa học gọi các hạt đó là các hạt “hạ nguyên tử”. Ban đầu người ta chỉ tưởng có vài ba hạt như electron, proton và notron nhưng thực ra càng khám phá càng thấy nguyên tử có chứa rất nhiều hạt, mỗi hạt có một chức năng, quyền hạn, nhiệm vụ và chúng quyết định những tính chất của vật chất. Nhiều lí thuyết về các hạt “hạ nguyên tử” ra đời. Tập hợp các lí thuyết đó gọi là mô hình chuẩn (Standard Model).

Fermilab

Theo mô hình chuẩn thì toàn bộ thế giới của các hạt “hạ nguyên tử” quy về 17 loại hạt. Với 17 loại hạt đó chúng ta sẽ hiểu biết, giải thích được mọi hiện tượng trong thế giới tự nhiên. Trong 17 loại hạt, thực nghiệm đã tìm được 16 loại hạt, còn 1 hạt duy nhất đó là hạt “Higgs boson” (do Peter Higgs nhà vật lí Scotland đưa vào lí thuyết năm 1960) đến nay vẫn không tìm được. Nhà vật lí Leon Lederman đoạt giải Nobel Vật lí năm 1988 gọi tên nó là “hạt thần thánh”. Theo mô hình tiêu chuẩn thì hạt “Higgs boson” cung cấp khối lượng cho vật chất, nó đặc trưng cho trường hấp dẫn. “Hạt thần thánh” là rường cột cho các lí thuyết hiện đại, nó là chìa khóa để tìm ra lí thuyết của vạn vật. Chính vì tầm quan trọng đó nên việc truy tìm “hạt thần thánh” trở thành một chủ đề trung tâm trong Vật lí học.

Hiện nay ở Mỹ,Châu Âu và Nhật Bản có những trung tâm thực nghiệm lớn để truy tìm hạt “Higgs boson”. Các bạn cũng lưu ý rằng trong số các nhà bác học đi tiên phong trong việc truy tìm hạt “Higgs boson” có một nhà bác học nổi tiếng, đó là một phụ nữ xinh đẹp người Mĩ gốc Hong Kong sinh năm 1945 - Sau Lan Wu - giáo sư Vật lí ưu tú, được phong danh hiệu Enrico Fermi của đại học Wisconsin ở Madison, Hoa Kì.

Việc truy tìm “ hạt thần thánh” chủ yếu dựa vào các máy gia tốc hạt.

Máy gia tốc LEP của trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu âu CERN vẫn không đủ mạnh để “tóm” được “hạt thần thánh”. Một máy gia tốc “siêu hiện đại” có đường kính 8,6km, đặt sâu 175m dưới mặt đất, thực hiện ở vùng năng lượng TeV(1TeV = 10¹² eV); sau 9 năm xây dựng đến nay đã hoàn thành, đó là máy gia tốc LHC nằm gần biên giới Pháp – Thụy Sĩ. Hiện nay máy gia tốc LHC vẫn chưa “bắt” được “hạt thần thánh”.

Các nhà Vật lí đang có dự án xây tiếp một máy gia tốc có tên gọi là ILC với độ dài gần 30 km, mục đích của ILC là nghiên cứu tiếp những kết quả khám phá được của LHC (chi phí cỡ 6,7 tỉ USD).

Vấn đề đặt ra cho Vật lí hiện đại đối với việc tìm kiếm hạt ‘Higgs boson”

Như trên đã giới thiệu hạt “Higgs boson” là trụ cột cho các lý thuyết hiện đại, cho mô hình tiêu chuẩn, là chìa khóa để tìm ra lí thuyết của vạn vật. Câu hỏi đặt ra là: liệu có “truy tìm” được “hạt thần thánh”? Ta xét 3 khả năng chính sau đây :

1. Nếu LHC tìm ra “hạt thần thánh” và không tìm ra thêm một điều gì khác

Điều này có nghĩa là chúng ta sẽ biết được bản chất tận cùng của vũ trụ, vật lí lúc đó không còn là một lí thuyết gì lớn để nghiên cứu và chỉ còn là những nghiên cứu ứng dụng. Vật lí không biết sẽ phát triển theo hướng nào tiếp theo.

2. Nếu LHC không tìm ra “hạt thần thánh” và cũng không tìm thấy điều gì mới thì mô hình tiêu chuẩn cũng như những lý thuyết hiện đại liên quan khác đứng trước sự lung lay. Thế giới Vật lí còn đầy bí hiểm ở phía trước. Vùng năng lượng mà LHC thực hiện chưa thực sự đáp ứng mong muốn, nó đòi hỏi chúng ta đi tìm những hiện tượng Vật lí mới ở những vùng năng lượng cao hơn !?

3. Nếu LHC không tìm ra “hạt thần thánh” nhưng lại tìm được các chiều dư của không thời gian.

Nếu khả năng này xảy ra, nó sẽ mở đường cho việc giải quyết vấn đề khối lượng của các hạt.

Nhà khoa học Chistophe Grojean và các cộng sự đã xây dưng một lí thuyết mới có khả năng vẫn giữ và phát triển mô hình tiêu chuẩn mà không cần tới hạt “Higgs boson”. Trong lí thuyết của Chistophe Grojean, thay vì thêm một hạt thì chúng ta thêm một chiều dư của không thời gian. Như chúng ta đã biết trong thuyết tương đối Einstein khối lượng, năng lượng và xung lượng là những đại lượng biến đổi qua lại lẫn nhau, nên phần xung lượng của hạt dọc theo chiều dư thứ 5 được xem như là khối lượng biểu hiện trong không gian 4 chiều thông thường. Lí thuyết này đang được giới khoa học quan tâm, nó là nút gỡ, một khi chúng ta không tìm thấy hạt “Higgs boson” mà lại tìm thấy các chiều dư của không thời gian.

Nhân loại đang chờ đón các kết quả!

Cập nhật thông tin liên quan hạt này: >> Boson HIGGS

Tài liệu tham khảo: Tạp chí Vật lí Ngày nay các số 69;70;80;82;88;89;90;92;93;95;99

Trương Văn Thanh - Thuvienvatly.com

GV chuyên Vật Lý  tại Thanh Hóa