Hành trình dài đến với boson Higgs – Phần 2

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.

>> Xem Phần 1

Cao và thấp

Vào giữa thập niên 1980, máy va chạm LEP bắt đầu định hình bên trong tầng hầm hình tròn dài 27 km bên dưới những cánh đồng màu mỡ phía tây bắc Geneva, cắt qua biên giới Pháp-Thụy Sĩ bốn lần ở gần CERN. Với mục tiêu tối hậu là tạo ra những va chạm electron-positron ở năng lượng 200 GeV, LEP sẽ có thể tạo ra những boson Higgs với khối lượng lên tới và vừa vặn trên 100 GeV. Không chịu thua kém, trong khi đó các nhà vật lí sốt sắng người Mĩ đang thiết kế Siêu Máy va chạm Siêu dẫn (SSC) với sự tán thành của chính quyền Reagan, khi đó đang lo lắng về sự xuống gốc của tính cạnh tranh của nước Mĩ. Gấp hơn ba lần kích cỡ của LEP và chi phí ít nhất tiêu gấp năm lần, cỗ máy siêu khổng lồ này dự tính cho các proton lao vào nhau ở năng lượng lên tới 40 × 10¹² eV (40 TeV) và có thể tạo ra những boson Higgs với khối lượng lên tới 1 TeV – xét khối lượng tối đa trên lí thuyết của nó. Việc xây dựng SSC bắt đầu vào năm 1990, chỉ một năm sau khi các hoạt động LEP bắt đầu, trong những cánh đồng bông bỏ hoang quanh vùng Waxahachie, phía nam Dallas, Texas. Mặc dù hai cỗ máy quái vật thời hiện đại này đã được nghĩ ra và xây dựng với những con mồi dưới nguyên tử khối lượng lớn khác trong đầu (ví dụ như quark top), nhưng boson Higgs là ưu tiên số một trong danh sách của những người lên kế hoạch của chúng – nhất là với SSC. Bị chế nhạo là “hạt thần thánh” trong một tập sách phổ biến kiến thức khoa học của cựu giám đốc Fermilab Leon Lederman, nhưng nó đã trở thành mục tiêu chính của một cuộc chạy đua vật lí xuyên đại dương.

Máy dò hạt ALEPH trước khi nó được chuyển vào lắp đặt trong máy va chạm LEP. Đứng ở phía trước, từ trái sang, là Jacques Lefrancois, Jack Steinberger, Lorenzo Foa và Pierre Lazeyras (Ảnh: CERN)

LEP đã chạy một thập kỉ trước khi SSC dự kiến hoàn tất, ghi lại dữ liệu ban đầu ở năng lượng va chạm 91 GeV, tương ứng với khối lượng boson Z. Cùng với các thí nghiệm diễn ra ở một máy va chạm thẳng electron-positron tại SLAC, vào giữa thập niên 1990 các thí nghiệm LEP đã có thể bác bỏ những khối lượng boson Higgs dưới mức 65 GeV. Những dấu hiệu thực nghiệm rõ ràng như trông đợi, ví dụ như sự phân hủy gần như tức thời của nó thành một quark đáy (bottom) và phản quark của nó, đã không có mặt phía trên phông nền như trông đợi.

Trong khi đó, trở lại Waxahachie và thủ đô Washington, mọi thứ đang diễn ra không hay cho SSC. Khi các nhà vật lí máy gia tốc sửa đổi thiết kế của nó, xây dựng thêm những hành lang an toàn trong khi vẫn giữ năng lượng va chạm 40 GeV của nó, chi phí xây dựng đã đội lên hơn 8 tỉ đô la vào năm 1991 và vượt qua mốc 10 tỉ vào mùa hè năm 1993. Cố gắng bảo vệ dự án và làm tăng sự nhận thức của công chúng về tầm quan trọng của nó, Lederman đã gọi trường Higgs là “một sự hiện diện giống như hồn ma... đang cản trở chúng ta tìm hiểu bản chất đích thực của vật chất”. Nhưng Thượng viện Mĩ không chịu chi thêm tiền và đã khép lại tiền tuyến khoa học đầy triển vọng nhưng quá tốn kém này. Trong một cuộc bỏ phiếu nổi tiếng 282-143 vào tháng 10 năm đó, Hạ viện đã đặt dấu chấm hết cho SSC và cuối cùng Thượng viện đã khai tử dự án. Ra đi cùng với dự án đó là niềm hi vọng của nhiều nhà vật lí muốn tìm kiếm boson Higgs trên đất Mĩ.

Khả năng duy nhất còn lại để khám phá ra hạt hay lảng tránh đó ở bờ tây Đại Tây Dương là tại Fermilab ở Illinois, nơi Tevatron cho các proton lao vào phản proton ở một năng lượng toàn phần gần 2 TeV. Thật vậy, quark đỉnh (top) được tìm kiếm bấy lâu cuối cùng đã lộ diện ở đó vào năm 1994 trong thí nghiệm CDF, thiết bị khi ấy đã tích góp được một tá sự kiện tiềm năng quý giá. Khi thí nghiệm D0 đối địch đáp lời với dữ liệu tương tự vào tháng 3 sau đó, Fermilab ít nhất đã có thể khẳng định một chiến thắng nhỏ trong sự khám phá ra quark top ở một khối lượng gần 174 GeV. Gấp hơn 185 lần khối lượng proton, đây là (và vẫn là) hạt sơ cấp nặng nhất được biết.

Nhưng một quark top nặng như vậy, khi xét trong Mô hình Chuẩn sau những phép đo chính xác dần của các khối lượng W và Z, gợi ý một boson Higgs hơi nhẹ, với khối lượng dưới 200 GeV. Và những lập luận lí thuyết dựa trên sự siêu đối xứng bắt đầu đề xuất rằng hạt nhẹ nhất trong số những boson trung hòa, spin-0 của nó sẽ nằm trên khối lượng Z nhưng dưới 135 GeV. Nghĩa là SSC đã nhắm tới mục tiêu quá cao. Thật ra, CERN và Fermilab đều có cơ hội khám phá ra nó.

Tương lai mù mịt

Năm 1996, LEP bắt đầu giai đoạn hoạt động thứ hai của nó ở năng lượng trên 160 GeV, tại đó những cặp boson W xuất hiện dồi dào. Các nhà vật lí bắt đầu loại trừ những khối lượng boson Higgs cao hơn nữa khi năng lượng và độ rọi, hay tốc độ va chạm, của LEP, tăng dần lên vào cuối thập niên 1990. Các nhà vật lí và kĩ sư máy gia tốc CERN đã thu được những sự tăng dần này bằng cách bổ sung thêm những hộp cộng hưởng vi sóng siêu dẫn vào cỗ máy để hồi phục năng lượng bị mất bởi các electron và positron của nó trong mỗi vòng quỹ đạo do sự phát bức xạ synchrotron (nó tăng theo lũy thừa bốn của năng lượng mỗi chùm tia). Việc thúc đẩy công nghệ máy gia tốc đến những giới hạn của nó là một cuộc đấu khốc liệt. Khi thế kỉ 20 sắp kết thúc, CERN đã nâng năng lượng LEP lên vượt giá trị thiết kế 200 GeV của nó. Nhưng các nhà vật lí đang nghiên cứu ở bốn máy dò hạt lớn đặt xung quanh vành đai gia tốc vẫn chưa tìm thấy bất kì bằng chứng nào cho một boson Higgs hiện ra trong đám sương mù của họ, do đó làm tăng giới hạn dưới cho khối lượng của nó lên gần 108 GeV.

Một trong những sự kiện ALEPH bốn dòng hạt ghi lại trong đợt chạy cuối cùng của LEP trong năm 2000. Những đường màu lục và màu vàng là do các quark đáy gây ra được cho là do sự phân hủy của một boson Higgs 115 GeV. (Ảnh: CERN)

Với lịch trình LEP ngừng hoạt động vào mùa thu năm 2000 để việc xây dựng Máy Va chạm Hadron Lớn có bắt đầu trong cùng tầng hầm, các nhà vật lí máy gia tốc đã làm việc không ngừng nghỉ trong mùa hè năm đó. Họ lắp thêm đủ bộ cộng hưởng vi sóng để đẩy năng lượng của mỗi chùm hạt lên 103 GeV, cho một năng lượng va chạm 206 GeV – đủ để tạo ra một hạt Z cộng với một boson Higgs 115 GeV. Sau đó, một trong bốn thí nghiệm của LEP, gọi là ALEPH, đã báo cáo chứng kiến một sự dư thừa ba sự kiện trong đó một hạt Z hiện ra từ một va chạm electron-positron song song với một hạt khác nhanh chóng phân hủy thành một cặp bottom-phản bottom. Đó chính là cái được trông đợi từ một boson Higgs nhẹ như vậy, hạt thường phân hủy nhất theo kiểu này. Khi thí nghiệm DELPHI phát hiện bằng chứng cho một sự kiện giống-Higgs tương tự vào đầu tháng 9 năm 2000, sự hứng khởi tại CERN bùng phát như núi lửa phun. Tổng giám đốc CERN Luciano Maiani đã vui vẻ cho LEP chạy thêm sáu tuần nữa.

Mặc dù với thêm sáu tuần chạy LEP thì chẳng đủ để biến một kết quả 3σ đầy hấp dẫn thành một khám phá 5σ có tính thuyết phục, nhưng các nhà vật lí đã được khích lệ. Những người lạc quan trong số họ nghĩ rằng có thêm bằng chứng Higgs sẽ tự nhiên dẫn tới sự kéo dài hoạt động của LEP – có lẽ sang năm 2001, mặc dù như thế sẽ hoãn tiến trình xây dựng LHC và tăng chi phí. “Người ta sẽ rất, rất hào hứng,” phát biểu của Sau Lan Wu, một nhà vật lí người Mĩ ở trường Đại học Wisconsin đang làm việc tại ALEPH.

Nhưng điều đó đã không xảy ra. Mặc dù các nhà vật lí máy gia tốc lúc này đã thúc đẩy cỗ máy gần đến đỉnh điểm của nó với những năng lượng va chạm lên tới 209 GeV, nhưng chỉ có một sự kiện Higgs gây tranh cãi và không có giá trị xuất hiện, trên thí nghiệm L3 của LEP. Những thí nghiệm khác thì báo cáo những sự dư thừa nhỏ gần 115 GeV, nhưng không có ứng cử viên Higgs rõ ràng nào. Đó là một mớ lộn xộn và không đủ để thuyết phục Maiani hoãn đóng cửa LEP lâu thêm. Các nhà vật lí CERN đã chia làm hai phe tranh cãi kịch liệt trong tuần đầu tiên của tháng 11 năm 2000. Nhưng giới chính trị cuối cùng đã chiến thắng các nhà vật lí.

Trong giai đoạn cuối, bốn thí nghiệm LEP chỉ có thể cùng nhau kết luận rằng các hiệu ứng mà chúng đang nhìn thấy phù hợp với một boson Higgs 115 GeV ở mức 3σ và có thể loại trừ một khối lượng Higgs dưới 113 GeV (với mức tin cậy 95%). Việc xây dựng LHC đã bắt đầu được lên kế hoạch dài hạn, sau khoảng thời gian trễ ba tháng. Nhưng nhiều nhà vật lí LEP bất bình càu nhàu rằng họ đã bị cướp mất cơ hội thực hiện khám phá của đời mình.

Các nhà nghiên cứu CERN sẽ phải chờ thêm một thập kỉ nữa mới có cơ hội trổ tài lần nữa.

Nguồn gốc của khối lượng hạt

Cái thiết yếu cho Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt là sự tồn tại của một cơ chế sinh khối lượng dạng Higgs. Do một sự kiện phá vỡ đối xứng tinh vi trong vũ trụ sơ khai, trong một phần nhỏ của một cái chớp mắt sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang), tồn tại một trường vô hướng đồng đều gọi là trường Higgs thấm dẫm toàn bộ không gian giống như một chất lỏng ether giả định. Các hạt sơ cấp như lepton, quark và các boson W và X truyền lực yếu “thu lấy” khối lượng đặc trưng của chúng vì những sự kết hợp độc đáo và khác nhau của chúng với trường vạn vật này. Sự kết hợp đó càng mạnh thì khối lượng hạt càng cao. Các photon không có bất kì kết hợp nào như vậy nên có thể lan tỏa đến vô cùng. Các electron có một ái lực rất yếu với trường Higgs nên chuyển động trong không gian gần như là tự do.

Nhưng những hạt khối lượng lớn như W, Z và quark top thì bám lấy trường Higgs giống như những con hàu bám trên đá, khiến chúng hết sức chậm chạp. Chúng có thể di chuyển xa hơn một phần tỉ của một nano mét qua cái đối với chúng giống như là mật đường, trước khi phân hủy thành những hạt nhẹ hơn. Theo quan điểm lưỡng tính sóng-hạt tại cốt lõi của cơ học lượng tử, các dao động trong trường này sẽ làm phát sinh một hạt (hay những hạt) spin-0 gọi là (những) boson Higgs. Giống như sự rung lắc trường điện từ sinh ra các sóng tương ứng với các photon, sự rung lắc trường Higgs tạo ra những boson như thế. Nhưng làm thế nào rung lắc nó, và lắc mạnh cỡ nào? Đó là một câu hỏi căn bản khi Mô hình Chuẩn bắt đầu thu hút lòng trung thành của các nhà vật lí hạt vào giữa thập niên 1970.

Sigma và độ tin cậy

Các nhà vật lí hạt thường đánh giá ý nghĩa thống kê của một quan sát hay một phép đo theo số lệch chuẩn, hay “số sigma”, trên phông nền. Số đó càng lớn thì càng tốt. Trong khi những khoa học khác thường thỏa mãn với một chênh lệch hai độ lệch chuẩn (hay 2σ), tương ứng với độ tin cậy hơn 95% mà một kết quả “thật sự” đã được quan sát và không đơn thuần là một thăng giáng nền, nhưng con số này là không đủ đối với các nhà vật lí hạt. Nhiều “kết quả” 2σ đã bị bác bỏ sau khi kiểm tra kĩ lưỡng hơn.

Tiêu chuẩn tối thiểu để công bố trong ngành là một kết quả 3σ, tương ứng với độ tin cậy hơn 99% đó không phải là một thăng giáng. Cho dù vậy, bài công bố thường mang tiêu đề “Bằng chứng cho...” hay “Quan sát về...”, chứ không phải “Khám phá ra...”, nó đòi hỏi có thêm xác nhận chặt chẽ hơn. Tiêu chuẩn vàng trong ngành vật lí hạt là một kết quả 5σ, ở mức độ đó thì xác suất nó là một thăng giáng là nhỏ hơn một phần ba triệu.

Nhưng tại sao các nhà vật lí lại cực đoan như vậy? Vì những nhà thực nghiệm quá hăng hái đã bị thiêu rụi trước những đánh giá quá lạc quan của dữ liệu của họ. Như khám phá ra hạt zeta hồi năm 1984 cho thấy, cho dù một kết quả 5σ thì vẫn có thể là sai.

Vấn đề cốt lõi là ước tính một độ lệch chuẩn, đó thường chỉ là một dự đoán rèn kĩ năng. Nếu bạn biết chắc chắn phông nền là gì đến một mức độ chính xác cao, thì công việc thuận lợi hơn, nhưng thường không xảy ra như vậy. Các giả thuyết hòa lẫn trong phông nền nên các đánh giá có thể – và thường – không chính xác.

Và thỉnh thoảng, như trong trường hợp các quan sát LEP hồi năm 2000, các nhà vật lí đang thu thập dữ liệu ở những giới hạn ngoài cùng của cái có thể đo được, nơi chỉ có vài ba sự kiện để đánh giá mức độ phông nền. Những phân tích sau đó của những dữ liệu hấp dẫn này cho thấy phông nền đã bị ước tính thấp, dẫn tới những sự nhận thức rộng rãi rằng một boson Higgs 115 GeV đang bắt đầu lộ hình của chúng.

Trong trường hợp tìm kiếm boson Higgs, nơi những ngưỡng lớn khối lượng đang được khảo sát, còn có “hiệu ứng nhìn tùm lum” phải xử lí. Điều này ám chỉ thực tế rằng nếu bạn đang khảo sát nhiều mớ dữ liệu trong đó một hiệu ứng có thể biểu hiện, thì xác suất nhìn thấy cái gì đó trong một mớ được nhân lên bởi số lượng mớ đang nghiên cứu. Bạn cần điều chỉnh khả năng đó nữa.

Như vậy, những nhà vật lí hạt thận trọng phải dựa trên tiêu chuẩn vàng 5σ trước khi họ sẽ bắt đầu chấp nhận một kết quả khả dĩ nào đó là có thật. Và ngay cả khi ấy, vẫn cần có sự hỗ trợ từ một thí nghiệm độc lập khác, đó là một nguyên do tại sao Fermiab có tới hai máy dò đa chức năng cho Tevatron.

Michael Riordan (Physics World, tháng 8/2012)
Trần Nghiêm dịch