Thêm một chiến thắng mới cho Mô hình Chuẩn

Các nhà vật lí vừa đo được phân hủy hạt cực kì hiếm xảy ra bên trong cỗ máy va chạm nguyên tử lớn nhất thế giới – một khám phá củng cố cho mô hình hàng đầu hiện nay của ngành vật lí hạt cơ bản và thu hẹp dần chỗ của những hạt chưa được khám phá nằm ngoài lí thuyết này.

Bên trong Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC), một tầng hầm chu vi 27 km bên giới biên giới Pháp-Thụy Sĩ, các hạt được tăng tốc đến gần tốc độ ánh sáng và sau đó lao vào nhau. Các va chạm gây ra một cơn mưa hạt tẻ nhạt, nhưng đồng thời cũng xuất hiện những hạt hiếm lạ. Một trong những hạt hiếm này, gọi là B_s, vừa được các nhà vật lí đo thấy.

Hạt B_S có cấu tạo gồm hai mùi quark: quark đáy (bottom quark) và phản quark lạ (anti-strangen quark). Chúng chỉ tồn tại trong khoảnh khắc rất ngắn sau khi được sinh ra bên trong LHC, rồi nhanh chóng phân hủy thành những hạt nhẹ hơn. Nay các nhà vật lí cho biết họ đã quan sát thấy hạt B_s phân hủy thành hai hạt gọi là muon (họ hàng của electron).

Sơ đồ minh họa va chạm của hai proton bên trong LHC, tạo ra một cơn mưa gồm những hạt khác, trong đó có một meson B_s (màu xanh) phân hủy thành hai muon (màu tía). Ảnh: LHCb

Quá trình phân hủy này đã được dự đoán bởi Mô hình Chuẩn, lí thuyết vật lí hạt thống trị hiện nay, và được trông đợi chỉ xảy ra khoảng 3 lần trong mỗi tỉ phân hủy. Hai thí nghiệm tại LHC – CMS (Compact Muon Solenoid) và LHCb (LHCbeauty) – nay đã đo đủ số lượng của những phân hủy này và tìm thấy rằng quá trình đó thật sự xảy ra chính xác như tỉ lệ đã tiên đoán.

“Đây là một chiến thắng cho Mô hình Chuẩn,” phát biểu của nhà vật lí CMS, Joel Butler thuộc Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi ở Batavia, Mĩ. “Nhưng chúng ta biết Mô hình Chuẩn là chưa hoàn chỉnh, cho nên chúng ta vẫn tiếp tục tìm kiếm những cái không ăn khớp với nó.”

Một số nhà khoa học đã hi vọng rằng LHC sẽ đo được quá trình phân hủy đặc biệt này xảy ra hơi nhanh hơn hoặc chậm hơn một chút so với Mô hình Chuẩn tiên đoán, vì như thế sẽ gợi ý rằng có những hạt chưa được khám phá đang trình hiện theo kiểu nào đó.

Theo các nhà vật lí, các hạt nằm ngoài Mô hình Chuẩn được người ta chào đón bởi vì Mô hình Chuẩn hiện nay không có cách nào giải thích được vật chất tối hay nhiều bí ẩn khác của tự nhiên. Một số nhà vật lí nghi ngờ rằng vũ trụ vốn có nhiều hạt hơn lí thuyết hiện nay mô tả - ví dụ như những hạt đã được tiên đoán bởi một quan niệm gọi là siêu đối xứng – nhưng cho đến nay, những hạt này vẫn còn lảng tránh các nhà khoa học.

“Đây là nơi để tìm kiếm nền vật lí mới,” phát biểu của nhà vật lí LHCb, Sheldon Stone thuộc trường Đại học Syracuse. “Những sai lệch nhỏ khỏi tỉ lệ đã tiên đoán sẽ xác nhận chắc chắn sự có mặt của những lực mới hay hạt mới.”

Cho đến nay, các quan sát của LHC khớp khít với dự đoán của Mô hình Chuẩn, nhưng vẫn còn có chỗ lỏng lẽo cho người ta tìm kiếm nền vật lí mới. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu hi vọng so sánh được phân hủy hạt B_s­ sang muon với phân hủy của một hạt khác, gọi là B_d, hạt gồm một quark đáy và một phản quark xuống (anti-down quark).

Trên lí thuyết, tỉ lệ hạt B_d phân hủy thành hai muon còn hiếm hơn cả hạt B_s, cho nên các nhà vật lí phải chờ có thêm dữ liệu mới có thể nghiên cứu quá trình này.

LHC hiện đang tạm đóng cửa để nâng cấp, và sẽ hoạt động trở lại với năng lượng cao hơn vào năm 2015. Khi đó, nó sẽ cho chạy nhiều va chạm hơn, và sẽ có nhiều dữ liệu hơn cho các nhà nghiên cứu phân tích.

Kết quả mới trên được công bố ngày 19/7/2013 tại hội nghị EPS-HEP diễn ra ở Stockholm, Thụy Điển.

Theo Clara Moskowitz (LiveScience)