Hành trình dài đến với boson Higgs - Phần 1

Với khám phá ra boson Higgs dường như đã nằm trong tầm tay, Michael Riordan điểm lại lịch sử ra đời và con đường thực nghiệm tìm kiếm hạt cơ bản vốn hay lảng tránh này.

Peter Higgs không lúc nào thấy cảm thấy thoải mái trước việc tên của ông gắn liền với boson Higgs. Ông cho biết cấu trúc lí thuyết dẫn tới sự tiên đoán của ông về hạt Higgs cũng có công của Robert Brout, François Englert, Gerald Guralnik, Carl Hagen và Thomas Kibble. (Ảnh: Dirk Dahmer)

Trong một bài báo đăng trên tạp chí Nuclear Physics năm 1976, nhà lí thuyết CERN John Ellis, cùng với các đồng sự Mary Gaillard và Dimitri Nanopoulos, đã kết thúc với “một lời xin lỗi và một lời cảnh báo”. Bài báo được trích dẫn rộng rãi của họ, tựa đề là “Một đặc trưng hiện tượng học của boson Higgs”, đã kết luận với những lời như sau:

“Chúng tôi xin lỗi các nhà thực nghiệm rằng chúng tôi chẳng có chút ý tưởng gì khối lượng của boson Higgs là bao nhiêu... không dám chắc nó có kết hợp với những hạt khác hay không, ngoại trừ là chúng rất nhỏ. Vì những lí do này, chúng tôi không dám khích lệ những tìm kiếm thực nghiệm lớn đối với boson Higgs, nhưng chúng tôi thật sự cảm thấy rằng những người đang làm các thí nghiệm săn tìm boson Higgs sẽ biết làm thế nào phát hiện ra nó.”

Tuy nhiên, lời cảnh cáo của họ rằng không nên có “các tìm kiếm thực nghiệm lớn” đã bị chìm xuồng. Các chính phủ đã chi hàng tỉ đô la, euro và franc Thụy Sĩ cho mục tiêu theo đuổi này, với sự tham gia của nhiều nghìn nhà vật lí và kĩ sư trên khắp thế giới. CERN, trụ sở ở Thụy Sĩ, đã xây dựng máy va chạm Electron-Positron Lớn (LEP) dài 27 km hồi thập niên 1980 với một phần hi vọng lần theo con mồi hết sức quan trọng này, nó có thể giúp giải thích nguồn gốc của khối lượng trong vũ trụ. Các nhà vật lí Mĩ tiếp tục lấn tới với Siêu Máy Va chạm Siêu dẫn hết sức tốn kém, tuy nhiên dự án đó đã bị Nghị viện bác bỏ vào năm 1993, để lại một chỗ trống lớn không chỉ ở Texas, mà trong toàn chương trình vật lí năng lượng cao của nước này.

Những dấu hiệu trêu ngươi của boson Higgs lần lượt lộ diện tại LEP và Tevatron ở Fermilab trong nhiều năm qua, nhưng không có dấu hiệu nào có sức thuyết phục. Cuối cùng, Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC), xây dựng tại CERN bằng cách bổ sung thêm 1200 nam châm lưỡng cực siêu dẫn vào tầng hầm LEP, bắt đầu mang lại cái đáng tin hơn hồi năm ngoái. Khối lượng của nó, 125 MeV, gần với khối lượng của 133 proton, hay khoảng chừng bằng khối lượng của nguyên tử caesium. Dựa trên bằng chứng do các nhà nghiên cứu LHC và Tevatron công bố hồi tháng 7 tại Hội nghị Quốc tế về Vật lí Năng lượng Cao ở Melbourne, Australia, có vẻ như cuộc tìm kiếm gay go, dài kì này nay đã kết thúc.

Dậy sóng

Peter Higgs ở trường Đại học Edingburg và một số nhà lí thuyết khác đã chờ đợi khám phá này suốt một thời gian dài. Thật vậy, kể từ năm 1964, các hạt hạ nguyên tử mới lạ xuất hiện hầu như mỗi tuần từ các máy gia tốc proton tại các phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley và Brookhaven ở Mĩ và tại CERN. Vào năm đó, các quark chỉ mới là một tia sáng lóe lên trong con mắt của nhà vật lí Murray Gell-Mann tại Viện Công nghệ California. Và Trung tâm Máy gia tốc Thẳng Stanford (SLAC), nơi khám phá ra hạt quark xảy ra vào thập niên sau đó, đang sắp xây dựng xong ở vùng chân đồi dãy Santa Cruz phía nam San Francisco.

Lúc ấy, lí thuyết trường lượng tử, cơ chế hoạt động của hạt Higgs, đang lặng gió – một góc khuất mốc meo của ngành vật lí hạt mà chỉ có vài người tích cực như ông mới siêng năng quét dọn bụi bặm. Còn ít người biết tới hơn nữa khi ấy là lí thuyết ma trận-S, lí thuyết Regge và Bát Đạo của Gell-Mann, mô hình cố gắng khống chế và hệ thống hóa tình trạng thừa thải những meson và baryon mới do những cỗ máy proton mang lại. Mặc dù lí thuyết trường đã hết sức thành công trong việc giải thích sự tương tác điện từ của các hạt hạ nguyên tử, nhưng nó bó tay chịu thua trong những nỗ lực mô tả các tương tác hạt nhân mạnh và yếu. Đặc biệt ở California, việc nghiên cứu lí thuyết trường lượng tử bị xem là có hại đối với sự nghiệp của một nhà vật lí trẻ.

Bên trong tầng hầm Siêu Máy Va chạm Siêu dẫn trong khi đang xây dựng vào giữa năm 1993, không bao lâu trước khi dự án 10 tỉ đô la bị bác bỏ. (Ảnh: SSC)

Nhưng một vài nhà lí thuyết như Higgs, cùng với Robert Brout và François Englert tại trường Đại học Mở Brussels, đã phớt lờ phong trào lúc ấy. Đây là cái dễ dàng khiến hai người Bỉ, những người đã đến với lí thuyết hạt từ ngành vật lí vật chất ngưng tụ, nơi quan điểm cốt lõi là “sự phá vỡ đối xứng tự phát”, cái ngày nay giữ một vai trò then chốt trong sự hiểu biết của chúng ta về các lực cơ bản của tự nhiên, đã xuất hiện vào thập kỉ trước đó. Brout sau này nhớ lại một seminar ở trường Cornell năm 1960, trong đó Victor Weisskopf thuộc Viện Công nghệ Massachusetts từng phát biểu, “Các nhà vật lí hạt trong những ngày này liều lĩnh đến mức họ vay mượn từ những cái mới mẻ xuất hiện trong lí thuyết hệ nhiều vật.” Một cú liều sớm khi áp dụng những ý tưởng phá vỡ đối xứng này cho lực hạt nhân mạnh là các nhà lí thuyết Yoichiro Nambu và Jeffrey Goldstone đã dự đoán sự tồn tại của những hạt không khối lượng spin-0 (gọi là boson Nambu-Goldstone) có thể phát hiện dễ dàng, tuy nhiên chẳng có nơi nào người ta tìm thấy cả.

Đây là chỗ Brout, Englert, Higgs và một nhóm gồm ba nhà vật lí khác tại trường Imperial College London – Gerald Guralnik, Carl Hagen và Thomas Kibble – xuất hiện giải vây. Vào năm 1964, họ đã độc lập nhau phát triển một phương pháp khéo kéo tránh được sự có mặt của các boson Nambu-Goldstone không khối lượng mà không làm hỏng một đối xứng thiết yếu nhưng tinh vi của lí thuyết nền tảng gọi là “đối xứng chuẩn”. Mặc dù bài báo đầu tiên của Higgs về đề tài này (Phys. Lett.12 132) xuất hiện muộn hơn hai tuần so với bài báo của Brout và Englert (Phys. Rev. Lett.13 321), nhưng cơ chế và hạt boson sau này lại mang tên của chỉ một mình ông, vì chính Higgs là người đã phát biểu trong một bài báo sau đó trong năm 1964 (Phys. Rev. Lett. 13 508) rằng, như sau này ông nhớ lại, “loại lí thuyết đó có những hệ quả thực nghiệm”, tức là phải tồn tại một boson spin-0 có khối lượng và có thể phát hiện được. Sau khi nghiên cứu thêm về cái sau này trở nên nổi tiếng là cơ chế Higgs, vào năm 1966 ông cho công bố một bài báo chi tiết hơn trên tạp chí Physical Review (145 1156). Bài báo ít được các nhà lí thuyết trường lượng tử quan tâm nhưng nó đã làm dậy sóng ở những lĩnh vực nghiên cứu khác.

Thật vậy, Sheldon Glashow đã gặp Higgs sau một seminar ở Harvard vào năm 1966 và nói với ông rằng “đó là một mô hình đẹp, Peter à”, nhưng Glashow hoàn toàn bỏ qua tầm quan trọng của nó trong nghiên cứu lí thuyết riêng của ông về lí thuyết chuẩn. Tuy nhiên, Steven Weinberg và Abdus Salam đã tóm được mối liên hệ đó vào năm sau. Cơ chế Higgs mang lại cho họ một cách ban khối lượng cho những hạt spin-1 trung chuyển tương tác yếu, khiến nó có tầm tác dụng ngắn, trong khi photon thông thường vẫn không có khối lượng – và tương tác điện từ có tầm tác dụng vô hạn. Theo cách đó hai tương tác này có thể kết hợp thành một lí thuyết “điện yếu” thống nhất trong khi vẫn giữ được đối xứng chuẩn hết sức quý báu. Vì những đóng góp then chốt của họ cho lí thuyết này, Glashow, Weinberg và Salam đã được trao Giải Nobel Vật lí năm 1979.

Tuy nhiên, vẫn có ít người không thuộc lĩnh vực lí thuyết trường vẫn đang đặt nhiều chú ý. Nhưng vào năm 1971, sau khi Gerard 't Hooft và Martinus Veltman chứng minh một lí thuyết chuẩn có thể “chuẩn hóa lại” như thế nào, nhờ đó làm cho nó có thể tính toán, các nhà vật lí hạt trên thế giới mới bắt đầu lưu tâm. Vào giữa thập niên 1970, sau khám phá ra quark duyên (charm), Mô hình Chuẩn bắt đầu chiếm chỗ đứng vững chắc trong ngành vật lí hạt. Bao hàm một cơ chế sinh khối lượng dạng Higgs, kể từ đó nó vẫn là mô hình thống trị của lĩnh vực này.

Sau Lan Wu trong tầng hầm máy va chạm Electron-Positron Lớn tại CERN. Cùng với những người khác, bà hi vọng cỗ máy này sẽ giúp tìm thấy boson Higgs. (Ảnh: Vassar College)

Khởi đầu thất bại

Sau khi các khám phá ra boson W và Z tại CERN hồi đầu thập niên 1980 xác nhận các dự đoán lí thuyết, các tìm kiếm thực nghiệm đối với boson Higgs đã bắt đầu một cách nghiêm túc. Vào năm 1984, một ứng cử viên tiềm năng xuất hiện bất ngờ tại máy va chạm electron-positron năng lượng thấp DORIS tại phòng thí nghiệm DESY ở Hamburg, Đức, nơi đã được nâng cấp để tạo ra các hạt “upsilon” – những sự se duyên ngắn ngủi của một quark đáy (bottom) và phản quark của nó - ở mức 10 tỉ electron-volt, hay 10 GeV. Trong máy dò hạt Crystal Ball – về cơ bản là một quả cầu tinh thể sodium-iodide đã được vận chuyển từ SLAC đến Hamburg, vì SLAC không cần dùng nữa – các hạt upsilon thỉnh thoảng phân hủy thành một photon cộng với một hạt trung hòa đặt tên là “zeta”. Nó có khối lượng 8,32 GeV, gần bằng chín lần khối lượng của một hạt proton (hạt có khối lượng gần 1 GeV). Theo báo cáo của phát ngôn viên Elliott Bloom thuộc trung tâm SLAC tại Hội nghị Quốc tế về Vật lí Năng lượng Cao ở Leipzig năm 1984, hiệu ứng kì lạ đó trông có ý nghĩa thống kê cao, dễ dàng vượt qua mốc thử thống kê 5σ. Các nhà vật lí tại SLAC rỉ tai nhau rằng có lẽ cuối cùng Bloom sẽ giành được giải thưởng Nobel mà ông đã khao khát bấy lâu.

Nhưng có một vài chi tiết lạ về hạt zeta, trong đó có thực tế là nó đang được sinh ra thường xuyên hơn gấp khoảng 100 lần Mô hình Chuẩn đòi hỏi cho một boson Higgs nhẹ như lông chim như vậy. Tuy nhiên, sự vượt mức này có thể xuất hiện trong những lí thuyết vượt ngoài Mô hình Chuẩn, ví dụ như lí thuyết siêu đối xứng, nó đòi hỏi ít nhất ba hạt trung hòa như vậy, một trong số đó khá nhẹ cân. Nhưng các thí nghiệm tại một cỗ máy va chạm electron-positron tương đương ở Cornell không tìm thấy bằng chứng cho hạt zeta. Và trong những lần chạy thêm của DORIS vào cuối năm 1984, chỗ nổi cộm đó đã xuất hiện trong dữ liệu Crystal Ball, nó thu hút nhiều sự chú ý của các phương tiện truyền thông, rồi dần dần bị chìm xuồng – làm tan nhanh bất kì hi vọng nào vào một cuộc gặp gỡ ở Stockholm vào tháng 12 [lễ trao giải Nobel]. (Mặc dù là “tiêu chuẩn vàng” trong ngành vật lí hạt, nhưng một kết quả 5σ không phải lúc nào cũng đảm bảo một khám phá.)

Không, boson Higgs đâu dễ tìm thấy như vậy và lẽ nào nó được khám phá ra tại một cỗ máy va chạm second-hand kém cỏi chứ. Mặc dù các nhà vật lí lúc ấy chỉ mới loáng thoáng có các ý tưởng, nhưng đa số họ tin rằng khối lượng của nó phải lớn gấp 10-100 lần khối lượng của hạt zeta phù du kia. Và điều đó có nghĩa là việc khám phá ra nó đòi hỏi một trong những cỗ máy lớn nhất, mạnh nhất mà người ta từng xây dựng.

>> Xem tiếp Phần 2