Hành trình gần 50 năm đi tìm boson Higgs

Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) mới chính thức bắt đầu săn tìm boson Higgs từ hai năm trước đây. Nhưng cuộc săn tìm hạt Higgs thật ra đã bắt đầu từ hàng thập kỉ trước với một câu đố khó đã được giải, một câu đố không chỉ liên quan đến hạt Higgs.

Một đối xứng hấp dẫn

Cuộc săn tìm bắt đầu với sự đối xứng, một khái niệm đẹp cho rằng mọi thứ có thể lật ngược lại và vẫn trông như cũ. Kinh nghiệm hàng ngày cho thấy các lực của tự nhiên hoạt động y như cũ nếu bên trái bị đổi thành bên phải; các nhà khoa học nhận thấy điều này cũng đúng, ở cấp độ dưới nguyên tử, cho việc đảo dấu điện tích dương thành điện tích âm, và thậm chí cho sự đảo ngược dòng thời gian. Nguyên lí này cũng đúng với hành trạng của ít nhất ba trong bốn lực cơ bản chi phối các tương tác của vật chất và năng lượng.

Năm 1956, Tsung-Dao Lee ở trường Đại học Columbia và Chen-Ning Yang ở Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven đã công bố một bài báo nêu vấn đề một dạng đối xứng đặc biệt, gọi là đối xứng chẵn lẻ hay đối xứng gương, có đúng cho lực thứ tư, lực chi phối các tương tác điện yếu gây ra sự phân hủy hạt nhân. Và họ đề xuất một cách kiểm tra.

Nhà thực nghiệm Chien-Shiung Wu, một đồng nghiệp của Lee tại Columbia, nhận lấy thách thức đó. Bà sử dụng sự phân hủy của Cobalt-60 chứng minh rằng các tương tác yếu thật sự phân biệt giữa những hạt quay trái và những hạt quay phải.

Kiến thức này, kết hợp với một mảnh còn thiếu nữa, đưa các nhà lí thuyết đến chỗ đề xuất một hạt mới: hạt Higgs.

Ảnh: SLAC Infomedia Services.

Khối lượng từ đâu mà có?

Năm 1957, một manh mối khác đến từ một lĩnh vực dường như chẳng liên quan gì. John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer đề xuất một lí thuyết giải thích sự siêu dẫn, hiện tượng cho phép những chất liệu nhất định dẫn điện mà không bị cản trở. Nhưng lí thuyết BCS của họ, tên đặt theo những chữ cái đầu tên của họ, cũng chứa cái có giá trị đối với các nhà vật lí hạt, một khái niệm gọi là sự phá vỡ đối xứng tự phát. Các chất siêu dẫn chứa những cặp electron có mặt khắp vật kim loại và thật sự gây ra khối lượng cho các photon đang truyền qua chất liệu đó. Các nhà lí thuyết đề xuất rằng hiện tượng này có thể dùng làm một mô hình giải thích cách những hạt sơ cấp thu lấy khối lượng.

Năm 1964, ba nhóm nhà lí tuyết đã công bố ba bài báo độc lập nhau trên tạp chí Physical Review Letters, một tạp chí vật lí danh tiếng. Các nhà khoa học đó là Peter Higgs; Robert Brout và Francois Englert; và Carl Hagen, Gerald Guralnik và Tom Kibble. Ba bài báo đó chứng minh rằng sự phá vỡ đối xứng tự phát thật sự có thể làm cho các hạt có khối lượng mà không vi phạm thuyết tương đối hẹp.

Năm 1967, Steven Weinberg và Abdus Salam đã đặt những mảnh ghép đó lại với nhau. Từ đề xuất trước đó của Sheldon Glashow, họ đã phát triển độc lập một lí thuyết của tương tác yếu, gọi là lí thuyết GWS, lí thuyết của họ hợp nhất sự bất đối xứng gương và gây ra khối lượng cho tất cả các hạt qua một trường thấm đẫm toàn bộ không gian. Đây là trường Higgs. Lí thuyết đó thật phức tạp và trong vài năm không được xem xét nghiêm túc. Tuy nhiên, vào năm 1971, Gerard `t Hooft và Martinus Veltman đã giải được những bài toán toán học của lí thuyết đó, bất ngờ nó trở thành lời giải thích hàng đầu cho các tương tác yếu.

Giờ đã đến lúc cho các nhà thực nghiệm bắt tay vào làm việc. Sứ mệnh của họ là tìm kiếm một hạt, boson Higgs, chỉ có thể tồn tại nếu trường Higgs thật sự thấm dẫm toàn vũ trụ, mang khối lượng lại cho các hạt.

Cuộc săn tìm bắt đầu

Những mô tả chắc chắn của hạt Higgs và những ý tưởng về nơi tìm kiếm nó bắt đầu xuất hiện vào năm 1976. Chẳng hạn, nhà vật lí SLAC James Bjorken đã đề xuất tim kiếm hạt Higgs trong các sản phẩm phân hủy của boson Z, hạt đã được lí thuyết hóa những mãi đến năm 1983 thì mới phát hiện.

Phương trình nổi tiếng của Einstein, E = mc², có những hàm ý sáng giá cho ngành vật lí hạt. Về cơ bản nó có nghĩa là khối lượng tương đương với năng lượng, nhưng ý nghĩa thật sự của nó đối với các nhà vật lí hạt là khối lượng của một hạt càng lớn, thì năng lượng để tạo ra nó đòi hỏi càng lớn và cỗ máy cần thiết để tìm kiếm nó càng đồ sộ.

Vào thập niên 1980, chỉ còn bốn hạt nặng nhất chưa được tìm thấy: quark top (đỉnh), boson W, boson Z và boson Higgs. Hạt Higgs không phải hạt nặng nhất trong bốn hạt – hạt nặng nhất là quark top – nhưng nó là hạt khó nắm bắt nhất, và đòi hỏi những va chạm năng lượng cao nhất để tìm kiếm. Trong một thời gian dài, các máy va chạm hạt sẽ không làm được công việc đó. Nhưng chúng đã bắt đầu cuộc chơi ú òa của chúng với những thí nghiệm bắt đầu bác bỏ những khối lượng khác nhau cho hạt Higgs và thu hẹp dần nơi nó có thể tồn tại.

Năm 1987, Vòng Trữ Electron Cornell đã thực hiện những tìm kiếm trực tiếp đầu tiên với boson Higgs, loại trừ khả năng nó có một khối lượng rất nhỏ. Năm 1989, các thí nghiệm tại SLAC và CERN đã thực hiện những phép đo chính xác các tính chất của boson Z. Những thí nghiệm này củng cố thêm lí thuyết GWS của tương tác yếu và đặt ra thêm những giới hạn lên ngưỡng khối lượng có thể có cho hạt Higgs.

Sau đó, vào năm 1995, các nhà vật lí tại máy va chạm Tevatron ở Fermilab đã tìm thấy quark nặng nhất, quark top, nên chỉ còn thiếu hạt Higgs nữa là hoàn tất bức tranh Mô hình Chuẩn.

Khép lại chặng đường dài

Vào những năm 2000, ngành vật lí hạt bị thống lĩnh bởi một cuộc tìm kiếm hạt Higgs bằng bất kì phương tiện nào sẵn có, nhưng không có một cỗ máy va chạm có khả năng đạt tới những năng lượng cần thiết, toàn bộ những cái nhìn phớt qua về hạt Higgs cũng chỉ vẫn là những cái nhìn thoáng qua mà thôi. Vào năm 2000, các nhà vật lí tại Máy Va chạm Electron-Positron Lớn (LEP) của CERN đã tìm kiếm hạt Higgs không thành công với khối lượng lên tới 114 GeV. Sau đó LEP đóng cửa để dọn đường cho Máy Va chạm Hadron Lớn, cỗ máy lái những hạt proton vào những va chạm trực diện ở những năng lượng cao hơn nhiều so với bất kì cỗ máy nào trước đó.

Trong những năm 2000, các nhà khoa học tại Tevatron đã có những nỗ lực phi thường nhằm khắc phục yếu điểm năng lượng của họ với dữ liệu nhiều hơn và những cách tốt hơn để tìm kiếm. Vào lúc LHC chính thức bắt đầu chương trình tìm kiếm của nó vào năm 2010, Tevatron đã thành công trong việc thu hẹp ngưỡng tìm kiếm, nhưng chưa khám phá ra hạt Higgs. Khi Tevatron ngừng hoạt động vào năm 2011, các nhà khoa học đã có được những lượng dữ liệu đồ sộ, và họ đã phân tích mở rộng và công bố hồi tuần trước, rằng họ đã thoáng nhìn qua một hạt Higgs tuy vẫn còn xa xôi.

Năm 2011, các nhà khoa học tại hai thí nghiệm lớn ở LHC, ATLAS và CMS, công bố họ cũng đang tiếp cận hạt Higgs.

Sáng hôm 4/7, họ vừa công bố thêm một kết quả nữa: Họ đã phát hiện ra một boson mới – một boson có thể, sau khi nghiên cứu kĩ lưỡng hơn, là dấu hiệu được tìm kiếm lâu nay của trường Higgs.

Khám phá ra hạt Higgs sẽ là sự khởi đầu của một kỉ nguyên mới trong vật lí học. Cuộc chơi không dừng lại với chỉ một hạt; vật chất tối và năng lượng tối và khả năng siêu đối xứng sẽ vẫn vẫy gọi các nhà tìm kiếm ngay cả sau khi Mô hình Chuẩn đã hoàn tất. Vì trường Higgs có liên quan đến tất cả những mảnh ghép còn lại trong trò chơi, nên chúng ta sẽ không thể giải quyết chúng nếu chúng ta chưa biết bản chất đích thực của nó là gì. Nó là màu xanh của biển cả hay màu xanh của bầu trời? Nó là khu vườn, là lối đi, là tòa nhà, hay là con tàu? Và nó thật sự liên hệ như thế nào với những mảnh ghép còn lại của câu đố?

Vũ trụ ngoài kia đang chờ.

Trần Nghiêm dịch (Thuvienvatly.com)
Nguồn: Phòng thí nghiệm quốc gia SLAC