- Michael Riordan (Physics World, tháng 10/2012)
Nhìn ở một góc độ nào đó thì máy va chạm Electron-Positron Lớn (LEP) có thể xem là một thất bại. Mặc dù xây dựng LEP tiêu tốn khoảng một tỉ franc Thụy Sĩ (CHF), và hơn nữa hoạt động từ năm 1989 đến năm 2000, nhưng với nó các nhà nghiên cứu chẳng phát hiện ra một hạt sơ cấp mới nào. Chắc chắn họ đã có vô số những sự sàng lọc tính chất của các boson nặng W và Z – những hạt trung chuyển lực yếu đã được khám phá ra tại CERN hồi đầu thập niên 1980 – đồng thời đã có những phép đo chính xác những thông số quan trọng khác của Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt. Nhưng trong suốt giai đoạn 12 năm đó, chỉ có Fermilab mới có thể khẳng định một khám phá hạt sơ cấp – khám phá ra quark top (quark đỉnh) vào năm 1995.
Tuy nhiên, nhìn theo một góc độ khác, thì LEP là một thành công lớn. Nó đã giúp các nhà vật lí đã loại trừ một ngưỡng lớn khối lượng trong đó hầu như không thể phát hiện ra bất kì boson Higgs nào bởi các thí nghiệm tại máy va chạm proton. Một hạt có chút giống với boson Higgs do Mô hình Chuẩn dự đoán phải xuất hiện trong các va chạm electron-positron tại LEP và khối lượng của nó cao tới 114 tỉ electron volt (114 GeV), theo một phân tích kết hợp của bốn thí nghiệm LEP công bố hồi năm 2003 (Phys. Lett. B 565 61). Nhưng chẳng có cái gì mới hiện ra trong ngưỡng khối lượng này. Và các phép đo LEP chính xác, cộng với khối lượng quark top đã xác định tại Fermilab, đòi hỏi rằng mọi boson Higgs Mô hình Chuẩn phải trình hiện ở một khối lượng dưới 193 GeV (với độ tin cậy 95%). Vì chẳng có ai dám nói điều gì về khối lượng của nó trước năm 1989, nên các nhà nghiên cứu LEP đã tiến một bước lớn trên chặng đường dài đi tìm boson Higgs.
Hàn kĩ thuật lại một mối nối ở LHC hồi tháng 7 năm 2009. (Ảnh: Maximilien Brice/CERN)
Và nhiều nhà vật lí làm việc tại thí nghiệm ALEPH tại LEP, thí nghiệm ghi lại những sự kiện ứng viên khả dĩ nhất, cho rằng họ đã chứng kiến một bằng chứng tốt cho nó tại mức 115 GeV. Vào tháng 12 năm 2000, họ đã công bố một bài báo mang tựa đề “Quan sát một sự dư thừa trong tìm kiếm boson Higgs Mô hình Chuẩn tại ALEPH” (Phys. Lett. B 495 1), khẳng định một sự dư thừa 3σ của những sự kiện giống-Higgs tại năng lượng này. Nhưng ba thí nghiệm LEP khác không xác nhận những kết quả này. Do đó, sự phân tích kết hợp chỉ cho phép một tín hiệu như thế có lẽ đã xuất hiện – nói cách khác, giả thuyết tín-hiệu-cộng-với-phông-nền khớp với dữ liệu tốt hơn là không có tín hiệu gì hết, nhưng không nhiều lắm. Vào cuối năm 2000, cuối cùng CERN đã cho LEP ngừng hoạt động sau một cuộc tranh luận nảy lửa và bắt đầu triển khai xây dựng Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC).
Tập trung vào Fermilab
Khi chuyển mình sang thế kỉ mới, các nhà vật lí tại Fermilab có thể rộng hướng nhìn xa hơn 5 năm thành tựu trong đó họ chẳng có đối thủ cạnh tranh vào trong cuộc săn tìm boson Higgs. Cần ít nhất là khoảng thời gian dài như thế (và hóa ra còn dài hơn nhiều) để xây dựng và lắp đặt LHC trong tầng hầm LEP dài 27 km. Với năng lượng va chạm gần 2 × 1012 eV (2 TeV), máy va chạm proton-phản proton Tevatron của Fermilab khi ấy là cỗ máy mạnh nhất trên Trái đất – và là cỗ máy duy nhất có thể tạo ra những hạt mới lạ với khối lượng vượt ngưỡng 100 GeV. Nhưng liệu nó có tốc độ va chạm, hay độ rọi, đủ cao để tạo ra đủ sự kiện Higgs hiếm hoi như trông đợi hay không?
Một khó khăn gây nản chí với các máy va chạm hạt nặng như Tevatron hay LHC là chúng còn tạo ra rất nhiều mảnh vụn đủ loại bởi vì proton và phản proton không phải là hạt sơ cấp mà có cấu tạo gồm những hạt quark và gluon. Thật vậy, nhà lí thuyết Caltech Richard Feynman từng so sánh các va chạm proton với “những thùng rác lao vào thùng rác”. Rất nhiều hạt rác sẽ phát sinh, một số hạt trông rất giống với những sản phẩm phân hủy của boson Higgs. Tại LEP không có khó khăn này vì nó cho va chạm electron với postron, chúng về cơ bản là những hạt điểm có những tương tác điện từ đã được hiểu rõ. Những sự kiện Higgs ứng viên của nó chỉ có hai hoặc bốn “dòng” hạt nặng, tương ứng với các quark đang xuất hiện, và một ít hạt khác. Những sự kiện này có thể ghi nhận khá dễ dàng.
Nhưng tại Tevatron và LHC, những tín hiệu giống-Higgs sẽ bị nhận chìm trong phông nền ngập lũ của những sự kiện hạt nặng bình thường. Không hẳn không có khả năng phát hiện ra một làn khói thuốc lá trong mớ mịt mù của đám lửa cháy rừng. Nếu bạn có một tín hiệu mạnh, rạch ròi, thì việc lọc nó ra khỏi những phông nền như thế là đơn giản hơn. Nhưng nếu không, các nhà thực nghiệm phải tích góp vô số sự kiện mới chắc chắn rằng họ có thể trích ra một cách thuyết phục một tín hiệu có nghĩa là phông nền hỗn độn đó. Và như thế đòi hỏi có độ rọi hay thời gian. Hoặc là cả hai.
Ở những khối lượng thấp nơi boson Higgs được cho là có khả năng nhất ẩn náu sau khi LEP ngừng hoạt động, từ 115 GeV đến 193 GeV, có một tín hiệu mạnh, rõ ràng - ở ngay trên mức 155 GeV, nơi một boson Higgs Mô hình Chuẩn thường sẽ phân hủy thành một cặp boson W rõ ràng. Dưới mức đó, nó có nhiều lộ trình phân hủy đến mức gây hoang mang. Và ở những khối lượng dưới 135 GeV, nó thiên về phân hủy thành những cặp quark bottom (quark đáy), mắt xích nặng nhất tiếp theo trong chuỗi hạt sơ cấp, đồng thời còn phân hủy thành gluon và lepton tau. Nhưng cái những loại hạt này tự biến đổi thành trông y hệt như mọi mảnh vỡ khác có đầy trong máy dò hạt. Và khi một phân hủy hạt W hay hạt tau có tạo ra một electron hay muon dễ nhận dạng, nó cũng phải tạo ra một neutrino thoát khỏi máy dò hạt mà không để lại vết tích hay khoản năng lượng nào, thành ra càng khó xác định khối lượng và từ đó nhận dạng hạt bố mẹ. Cho dù một boson Higgs thật sự tồn tại ở mức 115 GeV, như thí nghiệm ALEPH có vẻ đề xuất, thì việc tìm ra nó trong đám sương mù hỗn độn kia là chuyện không dễ dàng gì và đòi hỏi thời gian dài. Việc tìm kiếm boson Higgs tại Fermilab chưa đạt tới giai đoạn chín muồi.
Trong khi Tevatron có nhiều thời gian, nhưng nó có độ rọi không đủ, nhất là trong nửa thập niên đầu hoạt động. Do những chậm trễ trong xây dựng và lắp đặt, các thí nghiệm LHC thật ra không hề bắt đầu thu nhận dữ liệu trước năm 2010; do đó các thí nghiệm lớn CDF và D0 tại Tevatron có gần như cả một thập niên làm việc độc quyền. Một cơn lốc hào hứng ngắn đã nổ ra vào năm 2007 khi một nhóm nhà nghiên cứu CDF báo cáo đã quan sát thấy một sự dư thừa của những sự kiện trên dưới mức 160 GeV, phân hủy thành lepton tau thay vì boson W. Một số người lí giải chỗ nhô lên trên các biểu đồ số liệu là bằng chứng của một boson Higgs mà các lí thuyết siêu đối xứng dự đoán, nó sẽ phân hủy thiên về theo kiểu này. Nhưng sự hứng khởi đã mờ dần đi vào một tháng sau đó, sau khi thí nghiệm D0 không tìm ra cái gì tương tự như vậy. Và khi dữ liệu tiếp tục được tích góp tại CDF trong năm đó, sự dư thừa đó không còn nữa – và sự hứng khởi ở một số người tắt ngấm.
Khi hai thí nghiệm báo cáo những kết quả kết hợp vào tháng 9 năm 2011, ngay trước khi cỗ máy Tevatron 26 tuổi già nua ngừng hoạt động mãi mãi, chỉ có những sự dư thừa nhỏ, cỡ 1σ của những sự kiện giống-Higgs ở những khối lượng từ 115 GeV đến 155 GeV – không gần đủ để khẳng định cái gì đó có ý nghĩa. Trên mức đó, họ tìm thấy quá ít sự kiện phân hủy qua những cặp W, nên Fermilab ít nhất có thể cảm thấy thỏa mãn với việc bác bỏ mọi boson Higgs giữa 156 GeV và 177 GeV. Nhưng đó là một thành quả khiêm tốn cho 10 năm tìm kiếm gian khổ. Và nó không đủ để thuyết phục giám đốc Fermilab Pier Oddone cho Tevatron hoạt động thêm một thời gian ngắn nữa. Như nhà nghiên cứu CDF John Conway thuộc trường Đại học California, Davis, than tiếc “Chúng tôi đã tiến một chặng đường rất dài mà không có khám phá thật sự mới mẻ nào trong ngành vật lí hạt, không có quan sát nào thật sự làm thay đổi mô hình.”
Một trong những “bánh xe nhỏ” của máy dò hạt ATLAS đang được thả xuống tầng hầm LHC hồi tháng 2 năm 2008. (Ảnh: CERN)
Những thăng trầm tại CERN
Fermilab còn có thêm thời gian săn tìm boson Higgs do những khó khăn buổi đầu tại LHC, việc xây dựng triển khai muộn hai năm do chi phí leo thang và lịch biểu kéo dài. Vào tháng 9 năm 2001, tổng giám đốc CERN Luciano Maiani đã quăng một quả lựu đạn vào cuộc họp hội đồng của tổ chức này, ông công bố rằng chi phí cho LHC đã tăng thêm gần 20% lên mức 3,34 tỉ CHF, tính cả chi phí cho máy dò hạt. Cần thêm 120 triệu CHF nữa cho hạ tầng điện toán. Chi phí leo thang và sự chậm trễ xảy ra trong thập niên ấy là hệ quả của những trục trặc với những hệ thống nam châm siêu dẫn, chúng phải được làm lạnh bằng helium lỏng xuống đến 1,9 K, hay – 271oC. Khi cộng gộp toàn bộ chi phí vào năm 2006, kể cả vật liệu và nhân công, giá thành LHC cuối cùng là khoảng 6 tỉ CHF, hơn gấp đôi chi phí dự tính ban đầu của nó. Những đóng góp từ Canada, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản, Nga và Mĩ – chỉ riêng nước Mĩ đã cung cấp hơn nửa tỉ đô la trang thiết bị - đã giúp khắc phục những khó khăn tài chính leo thang này. Nhưng cuối cùng mọi thứ đã được dàn xếp ổn thỏa. Vào ngày 10 tháng 9 năm 2008, với toàn thế giới lắng nghe và theo dõi qua kênh BBC, các nhà vật lí máy gia tốc CERN đã cho hai chùm proton 450 GeV quay tròn thành công theo cả hai hướng trong cỗ máy khổng lồ mà không có trục trặc nào. Bắp nổ đã được dọn ra. Sâm banh đã bật nắp.
Nhưng chín ngày sau đó, quản trị viên dự án LHC Lyn Evans nhận một cuộc điện thoại hãi hùng từ phòng điều khiển yêu cầu ông tới ngay. Khi ông tới nơi, các cảnh báo chớp liên tục báo rằng nhiều nam châm đã hỏng và khí helium đang tràn vào trong tầng hầm. Những phân tích sau đó cho biết rằng một mối nối điện giữa hai trong số 1232 nam châm lưỡng cực của cỗ máy đã nóng lên và “vượt mức bình thường”, mất đi những tính chất siêu dẫn. Sau khi nó tan chảy, một tia lửa điện mạnh đã phóng qua ống nam châm, đâm thủng nó và phóng thích hàng tấn helium. Khi các công nhân đi vào tầng hầm sau đó, họ tìm thấy hàng tá nam châm đã hỏng, một số bị tước khỏi chỗ gắn của chúng. Đúng là cảnh bình địa. Evans đã gọi thảm họa trên là “một cú đấm thật sự vào mồm mỗi người”.
Mất hơn một năm và hơn 100 triệu CHF để đưa LHC trở lại, và khi đó nó chỉ hoạt động cầm chừng. Nhiều mối nối được tìm thấy có những rò rỉ và sẽ phải thay thế, một số nam châm lưỡng cực siêu dẫn cũng vậy. Không thể cho LHC chạy ở mức năng lượng thiết kế 14 TeV của nó cho đến khi tất cả các mối nối bị hỏng được sửa xong, nhưng điều đó chỉ xảy ra vào vài năm sau đó. Các nhà vật lí bắt đầu than tiếc rằng có lẽ – sau thảm họa này và sự hủy bỏ dự án Siêu Máy va chạm Siêu dẫn – xét cho cùng, Chúa không muốn hạt của ngài bị khám phá ra.
