Vấn đề hạt Higgs - tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm

Thư Viện Vật Lý xin giới thiệu đến các bạn bài viết "VẤN ĐỀ HẠT HIGGS - TÌM HIỂU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM" của Ths. Trần Văn Thảo thuộc Phòng KH & CN, trường Cao Đẳng Sư Phạm Tây Ninh.

Cảm ơn Thầy đã gửi bài cho chúng tôi.

Đọc thêm bài viết: Bạn biết gì về boson Higgs?

A - MỞ ĐẦU

I. Lý do chọn viết bài

Peter Higgs người Anh và Francois Englert người Bỉ với công trình nghiên cứu lý thuyết Higgs boson vào đầu tháng 10/2013 vừa qua, giúp giải thích vì sao các vật chất có khối lượng. Vì thế việc hiểu biết về boson Higgs là một việc hết sức thú vị cho những người yêu môn vật lý nói chung và những sinh viên chuyên ngành vật lý nói riêng. Vì thế tôi viết vấn đề này xem như một đề tài nghiên cứu cấp trường CĐSP Tây Ninh.

II. Mục tiêu

Có thể nói vấn đề hạt Higgs là vấn đề rất thú vị và rất phức tạp của vật lý hiện đại. Tôi dùng ngôn ngữ thông thường để viết về vấn đề này, nhằm cho những người không chuyên về vật lý cũng có thể thấy được vẻ đẹp của vật lý hiện đại.

Đề tài nhằm mục đích phổ biến kiến thức mang tính thời sự và góp phần làm tăng mức độ yêu thích môn vật lý của sinh viên lớp Lý trường CĐSP TN khi đọc đề tài.

III. Đối tượng

Tìm hiểu, trình bày những vấn đề lý thuyết liên quan đến hạt Higgs và quá trình thực nghiệm tìm kiếm từ ý tưởng đến lúc tìm ra hạt Higgs

IV. Nhiệm vụ

Trình bày các vấn đề liên quan đến hạt Higgs. Những nghiên cứu từ lúc bắt đầu có ý tưởng về hạt Higgs cho tới có bằng chứng thực nghiệm về sự hiện diện của hạt Higgs vào năm 2012.

V. Phương pháp

Đọc tài liệu, và khai triển toán.

B - NỘI DUNG

CHưƠNG 1 - NHỮNG LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ĐẾN HẠT HIGGS

I. Lịch sử về hạt Higgs

Vào năm 1964, Peter Higgs đã gửi công trình về mô tả một thuật toán mang lại khối lượng cho hạt đến tạp chí chuyên ngành "Physical Review Letters". Đầu tiên, các nhà thẩm định của tờ báo không tin vào ý tưởng này, nên bài viết bị từ chối. Các nhà thẩm định cho rằng nội dung bài báo không liên quan gì đên vật lý. Bài viết này bao gồm 4 phương trình và dài một trang rưỡi.

Hình 1. Ông Peter Higgs trong lần viếng thăm CERN (tháng 4 năm 2008)

Theo bình luật của các nhà vật lý học thì Peter Higgs là một nhà vật lý học bình thường và ngay bản thân ông Higgs cũng khẳng định điều đó. Ông xem việc "phát hiện" ra cơ chế Higgs là một sự may mắn. Nhưng vấn đề đó là một sự khiêm tốn vốn có của những nhà khoa học lớn, ngoài công trình đột phá về cơ chế Higgs trước đó ông còn có một số công trình đột phá khác nữa. Những công trình của ông không giống những công trình "làm những gì người khác đã từng làm", công trình của ông mang tính đột phá trong khoa học. Ngành vật lý hạt đã xây dựng được một mô hình lý thuyết chính thống (SM), tạo nên khuôn khổ về sự hiểu biết các hạt và các lực cơ bản trong tự nhiên. Một trong những thành phần cơ bản của mô hình này là trường lượng tử giả thiết phổ biến, chịu trách nhiệm cung cấp khối lượng cho các hạt. Trường này hiện tại được gọi là trường Higgs. Nó là hệ quả của lưỡng tính sóng - hạt trong cơ học lượng tử, và tất cả các trường lượng tử đều có một hạt cơ bản đi kèm. Hạt đi kèm với trường Higgs được gọi là hạt Higgs, hay boson Higgs, theo tên của nhà vật lý Peter Higgs.

II. Lưỡng tính sóng hạt

Vật chất có hai dạng chuyển động, dạng chuyển động hạt (gọi tắt là hạt) và dạng chuyển động sóng (gọi tắt là sóng). Dạng chuyển động hạt đặc trưng bởi sự định xứ của vật chất trong không gian và sự tồn tại quỹ đạo. Dạng chuyển động sóng đặc trưng bởi sự không định xứ trong không gian, sóng là quá trình truyền nhiễu loạn trong không gian với vận tốc không đổi và mang theo năng lượng. Chuyển động của sóng là chuyển động của trạng thái vật chất chứ không phải là truyền vật chất, là sự truyền pha từ phần tử vật chất này đến phần tử vật chất kia, chuyển động sóng tuần hoàn trong không gian và thời gian

Thực nghiệm và lý thuyết khẳng định lưỡng tính sóng-hạt là một thuộc tính cơ bản của vật chất, thể hiện ở mọi đối tượng vật chất khi chuyển động trong không gian. Có nghĩa vật chất khi chuyển động trong không gian có thể được xem như một sóng đang lan truyền với bước sóng cụ thể (tính được), và cũng có thể xem như là một hạt đang chuyển động với động lượng, động năng xác định.

Ví dụ xét vật chất ánh sáng, nó vừa thể hiện tính sóng, vừa thể hiện tính hạt như sau:

+ phân cực ánh sáng là những hiện tượng thể hiện bản chất sóng của ánh sáng mà thực nghiệm quan sát được.

+ Hiện tượng bức xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng compton là những hiện tượng không thể giải thích dựa trên tính chất sóng của ánh sáng. Để giải thích những hiện tượng này phải xem ánh sáng như là những hạt gọi là lượng tử ánh sáng. Planck và Einstein đã đưa ra thuyết lượng tử ánh sáng để giải thích những hiện tượng trên. Vậy để giải thích thỏa đáng các hiện tượng tự nhiên của ánh sáng thì phải xem ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt. Suy rộng ra vật chất đều có tính lưỡng tính sóng - hạt.

Đối với một bức xạ điện từ đơn sắc tần số ν , bước sóng λ lượng tử năng lượng tương ứng bằng:

ε = h.ν = h.c/λ = p.c

Trong đó: p = h.c/λ là động lượng của hạt; c = 3.10⁸m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không.

Vậy ngay trong biểu thức trên vừa có bước sóng (λ) đặt trưng cho tính sóng, vừa có động lượng (p) đặt trưng cho tính hạt của ánh sáng.

III. Lý thuyết trường lượng tử

Lý thuyết trường lượng tử được xây dựng trên cơ sở của sự kết hợp lý thuyết tương đối và cơ học lượng tử, qua lý thuyết này ta có hiểu biết sâu sắc hơn về không gian, thời gian, về các dạng vật chất và chuyển động của chúng.

Lý thuyết tương đối của Einstein được đặc trưng bởi vận tốc ánh sáng. Lý thuyết lượng tử được đặc trung bởi hằng số Planck ħ (còn được gọi là lượng tử tác dụng). Hằng số này biểu thị các giá trị gián đoạn của các đại lượng vật lý

Cơ học lượng tử xem những đại lượng vật lý luôn là những phần bị gián đoạn (ví dụ như ánh sáng bị chia nhỏ thành các lượng tử năng lương lượng gọi là photon ánh sáng mang một gói năng lượng), trên cơ sở của những phần gián đoạn này cơ học lượng tử đã giải thích được hầu hết các hiện tượng vật lý ở cấp độ vi mô (nguyên tử, phân tử). Nội dung quan trọng của cơ học lương tử là nói về xác suất tìm thấy hạt, hay xác xuất của một sự kiện vật lý có thể và không thể xảy ra.

Cơ học lượng tử không cho biết một cách chính xác các sự kiện, hay các đại lượng vật lý có xảy ra hay không, mà nó chỉ cung cấp cho ta một xác suất về vấn đề đó (đây là bản chất vốn có của thế giới vi mô).

Ví dụ: ta có một cái ly đựng cà phê đá, bên trong chứa những viên đá nhỏ. Theo suy nghĩ của vật lý cổ điển thì nếu ly đá ở trạng thái cân bằng thì các viên đá không bao giờ "chui" qua thành ly để ra ngoài được, có nghĩa xác suất của sự kiện đó bằng không. Nhưng theo quan điểm của cơ học lượng tử thì sự kiện đó có thể xảy ra với một xác suất khác không nhưng rất nhỏ. Có nghĩa là nếu giả sử ta có đủ thời gian để chờ đợi viên đá "chui" ra khỏi thành ly thì một ngày nào đó ta sẽ nhìn thấy sự kiện đó, đây gọi là nguyên lý bất định Heisenberg

Theo vật lý cổ điển thì quá trình vật lý hoàn toàn độc lập với các quan sát khác nhau, có nghĩa là tác dụng của những quan sát chỉ là nhiễu loạn không đáng kể đến trạng thái của hệ. Vì thế theo vật lý cổ điển ta có thể mô tả một cách tuyệt đối và tường tận trạng thái chuyển động vật lý của hệ, và có thể lắp ghép các phép đo rời rạc lại thành một bức tranh thống nhất mô tả trọn vẹn một sự kiện vật lý. Khác với vật lý cổ điển, trong vật lý lượng tử do đối tượng là các hạt vi mô nên các quá trình quan sát nó đều gây nhiễu loạn đáng kể nên ta không thể xác định được trạng thái của hệ một cách chính xác mà chỉ có thể là xác suất.

Lý thuyết tương đối của Albert Einstein bao gồm 2 lý thuyết vật lý: thuyết tương đối rộng. Khi các vật chuyển động bằng hoặc xấp xỉ vật tốc của ánh sáng thì người ta thấy rằng các định luật cơ học của Isaac Newton không thể áp dụng được nữa, lúc bấy giờ có những hiệu ứng mới lạ như là: thời gian trôi đi trên hai hệ quy chiếu chuyển động với vận tốc khác nhau thì khác nhau, khi một vật chuyên động càng nhanh thì kích thước của bản thân nó bị co lại, có nghĩa nó bị ngắn lại theo phương nó đang chuyển động. Lúc bấy giờ Albert Einstein đã phát triển lý thuyết mới để lý giải những hiện tượng trên, lý thuyết này gọi là lý thuyết tương đối. Trong lý thuyết tương đối đã bao hàm luôn những lý thuyết cổ điển của Niuton, giả sử vật chuyển động với vận tốc rất nhỏ so với ánh sáng thì một cách xấp xỉ với sai số nhỏ thì từ thuyết tương đối ta có thể thu được các định luật Niuton thường thấy.

Để nghiên cứu các hạt cơ bản (các loại hạt nhỏ cấu tạo nên vật chất) và sự tương tác của chúng, lý thuyết trường lượng tử cho rằng mỗi loại hạt tương ứng với một loại trường, trường liên kết các hạt thành một hệ thống nhất và truyền tương tác từ những hạt này đến những hại khác với vận tốc hữu hạn. Trong lý thuyết trường lượng tử, trường như vậy được mô tả bằng hàm sóng toán tử và các tương tác được hiểu như quá trình sinh hạt này (toán tử sinh hạt) và hủy hạt kia (toán tử hủy hạt) và toán tử số hạt bằng tích các toán từ sinh và toán tử hủy. Như vậy lý thuyết trường lượng tử có thể mô tả được những hệ có số hạt thay đổi, mô tả được sự biến hóa của các quá trình sinh hạt và hủy hạt, đồng thời diễn tả được cả tính "hạt" của sóng và tính "sóng" của hạt.

Từ quan niệm đó dẫn đến một khái niệm mới, khái niệm chân không trong lý thuyết trường lượng tử. Lý thuyết đầu tiên hình thành lý thuyết trường lượng tử là điện động lực học lượng tử. Đó là lý thuyết hiện đại của trường điện từ và sự tương tác của nó với các hạt tích điện. Điện động lực học lượng tử được xây dựng trên cơ sở của các định luật của cơ học lượng tử và lý thuyết tương đối, trong đó các photon được coi như những lượng tử của trường điện từ, các electron, các pôditron - như là các lượng tử của trường electron, pôditron; còn sự tương tác của các trường bức xạ với vật chất được coi như quá trình hấp thụ các photon này và bức xạ các photon khác.

Từ lâu vật lý rất quan tâm đến vấn đề thế nào là "chất" và "trường" và mối quan hệ giữa chúng. Lý thuyết cấu tạo vật chất cho rằng chất và trường là hai dạng tồn tại cơ bản của vật chất. Chúng ta biết rằng vật chất luôn luôn vận động và đối với mỗi một dạng vật chất đó người ta đã xây dựng cho nó một lý thuyết đặc trưng về chuyển động.

Trong lý thuyết cổ điển người ta cho rằng:

- Chất là nguyên liệu để cấu thành các vật chất, chất có khối lượng, choán một thể tích nào đó, có thể nhìn thấy và cân đo được. Thí dụ về chất như các hạt electron và prôton, các nguyên tử, các phân tử và các vật thể khác được tạo nên từ các hạt trên.

- Trường là một dạng đặc biệt của vật chất, thông qua trường mà tương tác (hút, đẩy) giữa các vật cách xa nhau được thực hiện. Trường không có khối lượng nhưng có mang năng lượng và trường tồn tại liên tục ở khắp mọi nơi. Tác dụng của trường trong chừng mực nào đó ta cũng có thể nhận biết được - như trường bức xạ nhiệt tác dụng vào da ; một số trường mà ta đã biết đó là trường điện từ, trường hấp dẫn, trường bức xạ nhiệt, ...

Chất và trường là hai khái niệm biệt lập nhau, vì thế người ta gắn cho mỗi dạng đó của vật chất quy luật chuyển động riêng biệt:

- Đối với chất: Quy luật chuyển động hạt mà đặc điểm của nó là sự định xứ và tồn tại quỹ đạo chuyển động.

- Đối với trường: Quy luật chuyển động sống mà đặc điểm của nó là không định xứ và không tồn tại quỹ đạo chuyển động - mà là chuyển động của cả một môi trường nào đó.

Như vậy theo vật lý cổ điển - vật lý của thế giới vĩ mô thì hai dạng chuyển động hạt và chuyển động sóng là hoàn toàn khác hẳn nhau, cũng như chất và trường không thể chuyển hóa cho nhau được. Nếu dựa vào quan niệm cổ điển về chất và trường và các quy luật chuyển động tương ứng ta không thể giải thích được các hiện tượng vật lý trong thế giới vi mô và các sự kiện thực nghiệm liên quan đến nó. Nói cách khác quan niệm cổ điển đó không còn phù hợp nữa, mà cần thay vào đó quan niệm mới hoàn toàn lượng tử - đó là lý thuyết trường lượng tử tương đối tính.

Theo lý thuyết tương đối Einstein thì giữa khối lượng và năng lượng có mối liên hệ gắn bó với nhau theo công thức E = mc². Mối liên hệ mật thiết này thể hiện ở chỗ: chỗ nào có năng lượng thì chỗ đó có khối lượng và ngược lại. Như thế sự tách biệt giữa chất và trường theo tiêu chuẩn khối lượng của vật lý cổ điển đã bị xóa nhòa. Khi cơ học lượng tử ra đời, trên cơ sở những giả thiết của Planck, Einstein và De Broglie đã hình thành quan niệm lượng tử: Trường cũng có tính gián đoạn, có tính chất hạt" (tính chất lượng tử của trường, suy ra từ các hiện tượng bức xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện) và những hạt của trường cũng có thể có những đặc tính của hạt chất ; ngược lại các hạt chất cũng có đặc tính của trường:

Các hạt cũng có tính "sóng" (tính chất lượng tử) theo giả thuyết De Broslie, và nó loang ra trong không gian giống như trường. Các quy luật chuyển động sóng của các hạt vi mô đã được cơ học lượng tử nghiên cứu. Trong thế giới vi mô còn có nhiều hiện tượng khác với trong thế giới vĩ mô. Chẳng hạn hiện tượng sinh hủy cặp, hai photon có năng lượng đủ lớn gặp nhau biến thành một cặp hạt electron - pôditron:

2γ -> e^- + e⁺

đó là hiện tượng sinh cặp; ngược lại một cặp hạt electron - poditron gặp nhau sẽ biến thành hai photon:

e^- + e⁺ -> 2γ

đó là hiện tượng hủy cặp. Trước đây các nhà vật lý có ý phân biệt hai loại hạt: Những hạt chất - đó là những hạt có khối lượng nghỉ (thí dụ: electron - poditron), còn hạt photon không có khối lượng nghỉ được xem như những lượng tử hóa của trường.

Chính hiện tượng phân hủy cặp đã minh chứng một điều mà chúng ta hằng mong đợi: các hạt chất và các lượng tử của trường có thể biến hóa lẫn nhau và hơn thế nữa các hạt chất cũng có thể được sinh ra và bị hấp thụ như các lượng tử của trường.

Như vậy với quan niệm cũ cho rằng hạt chất là tập trung trong một kích thước giới hạn và có khối lượng, thì nay lại có thể mất kích thước và loang ra như trường, và ngược lại cho rằng trường là loang ra vô tận và không có khối lượng cũng tập trung thành hạt, cũng có khối lượng và có thể biến thành những hạt của chất.

Do đó lý thuyết trường lượng tử tương đối tính là lý thuyết thống nhất giữa các hạt và các trường. Sự đồng nhất các khái niệm hạt và trường được lý giải theo quan điểm là: do tính chất sóng "lượng tử" của bất kỳ những hạt cơ bản nào và tính chất lượng tử "tính hạt" của tất cả các trường, mà mỗi một trường (theo cách hiểu cổ điển) đồng thời là tập hợp các hạt chất, còn mỗi tập hợp các hạt chất (theo cách hiểu cổ điển) là một trường nào đó. Lý thuyết trường lượng tử ra đời trên cơ sở hòa hợp lý thuyết tương đối và cơ học lượng tử. Vì thế lý thuyết trường lượng tử là lý thuyết hiện đại cơ bản nhằm tạo nên một lý thuyết nhất quát về các hạt, các trường và sự tương tác giữa chúng.

Công bằng mà đánh giá thì cơ học lượng tử và sự áp dụng của nó đã giúp chúng ta giải thích một vấn đề quan trọng về cấu tạo nguyên tử, phân tử ; mặt khác cần áp dụng thành công trong một loạt các lĩnh vực khác nữa như liên kết Hóa học, Vật lý chất rắn, và Vật lý hạt nhân nguyên tử. Đồng thời cơ học lượng tử là cánh cửa đầu tiên mở ra cho chúng ta hiểu nhiều tiên đoán khác trong thế giới vi mô, song một điều cần nghi vấn ở đây là tại sao trường điện từ là một trong những trường đã biết từ lâu vẫn còn tiếp tục được mô tả bằng phương trình Maxwell của lý thuyết cổ điển. Bên cạnh đó cơ học lượng tử mới đề cập đến chuyển động các vi hạt mà không đề cập đến sự sinh và hủy nó. Như vậy cơ học lượng tử mới chỉ áp dụng để mô tả các hệ số hạt không đổi. Vì lẽ đó để có thể mô tả được cả các trường và sự sinh hủy các hạt - tức là hệ có thể có một số hạt thay đổi ta phải tiến hành tổng quát hóa cơ học lượng tử thành lý thuyết trường lượng tử.

Để tổng quát hỏa cơ học lượng tử thành lý thuyết trường lượng tử - tức là thực hiện phép chuyển từ cơ học lượng tử sang lý thuyết trường lượng tử, chúng ta nhắc lại phép chuyển từ cơ học cổ điển sang cơ học lượng tử. Đây là bước chuyển từ hạt sang sóng và được gọi là sự lượng tử hóa lần thứ nhất. Thực chất của bước chuyển này là việc thay thế các đại lượng vật lý (trong cơ học cổ điển là các hàm số tuân theo quy luật nhân giao hoán bằng các toán tử tuyến tính tự liên hợp (nói chung không tuân theo phép nhân giao hoán số) thỏa mãn các hệ thức nhất định.

Có nhiều hiện tượng trước đây rất khó hiểu chưa giải thích được, thí dụ mômen từ dị thường của electron ở trường ngoài, sự dịch chuyển các mức năng lượng nguyên tử và một số các kết luận quan trọng về những tính chất của chất và trường. Nhưng khi dựa vào các quy luật của điện động lực học lượng tử ta mới giải thích được các hiện tượng khó hiểu đó.

Từ những thành công đó, người ta đã chỉ ra rằng có tồn tại một dạng mới nào đó của vật chất mà trước đây ta chưa biết: đó là chân không của trường điện từ và chân không của trường electron - pôditron. Theo quan niệm của lý thuyết trường lượng tử thì chân không là trạng thái có năng lượng cơ bản thấp nhất của trường hay hệ các trường mà trong đó không tồn tại các hạt thực. Với nghĩa đó trong trạng thái chân không của trường điện từ không có các photon thực, nhưng vẫn tồn lại một loạt các hiệu ứng thể hiện trong đó có tồn tại những dao động không của chân không. Sự tồn tại các dao động không cũng là nét đặc trưng đối với chân không của trường electron - pôditron mà trong đó không tồn tại các hạt thực là electron và pôditron.

Qua tất cả các hiện tượng trên, chúng ta thấy rằng chân không có những tính chất vật lý phức tạp. Cũng nhờ có khái niệm chân không vật lý mà sự tương tác giữa các hạt trong lý thuyết trường lượng tử được giải thích trên cơ sở coi sự tương tác đó là kết quả của việc trao đổi các lượng tử của các trường tương ứng. Thí dụ tương tác điện từ là kết quả của tự đổi photon ảo, tương tác mạnh là kết quả của việc trao đổi các mezon ảo. Khái niệm chân không và sự tương tác của nó với các trường khác giúp chúng ta giải quyết một số vướng mắc quan trọng ở trên, song nó lại dẫn đến cho điện động lực học lượng tử những vấn đề đặc biệt nan giải khác đó là sự xuất hiện các biểu thức phân kỳ trong công cụ tính toán của lý thuyết gắn với nó là phải áp dụng lý thuyết nhiễu loạn. Về mặt lý tưởng chúng ta có thể vượt qua được những trở ngại về phân kỳ nếu như bổ sung thêm sự tái chuẩn hóa lại các hằng số (khối lượng, diện tích ...), nhưng điều này không thực hiện được trong các cách phát biểu của lý thuyết. Vì thế nhiều phương pháp tính toán mới đang được tìm tòi thay cho tính toán liên quan dấn phương pháp nhiễu loạn.

Chúng ta biết rằng có nhiều lý thuyết nghiên cứu về cấu trúc và các tính chất của các hạt cơ bản sự tương tác và sự biến hóa lẫn nhau giữa chúng, nhưng lý thuyết trường lượng tử là một trong những phương pháp rất mạnh nghiên cứu kết quả các vấn đề đó. Ngay lý thuyết trường lượng tử cũng tồn tại ba phương pháp nhưng tương đương với nhau (một cách tương đối):

• Phương pháp hình thức luận lượng tử hóa thứ cấp.
• Phương pháp tích phân phiếm hàm.
• Phương pháp hàm Green.

IV. Lý thuyết thống nhất lớn (GUT - Grand Unification Theory)

Lý thuyết thống nhất lớn, được hình thành trong tiến trình mở rộng mô hình chuẩn của vật lý hạt. Mô hình chuẩn đã miêu tả chính xác các quan sát thu được tính đến nay, nhưng nó đã bỏ ngỏ những câu hỏi mang tính chất cơ bản, một trong số đó chính là việc tại sao tự nhiên lại cần đến 4 lực cơ bản (lực điện từ, lực tương tác hạt nhân yếu, lực tương tác hạt nhân mạnh, lực hấp dẫn) mà không phải là 1, và tại sao độ lớn, cùng các tính chất, của chúng lại khác biệt đến vậy. Sự thành công của việc thống nhất tương tác điện từ và tương tác yếu trong thuyết điện-yếu đã dẫn đến những nỗ lực nhằm thống nhất tương tác mạnh và sau cùng là lực hấp dẫn vào làm một, với tên gọi là Lý thuyết thống nhất lớn.

Như trong thuyết điện yếu, sự chênh lệch về độ lớn của các mức năng lượng, dưới mức năng lượng nghỉ của các boson trung gian được miêu tả bằng việc phá vỡ đối xứng tức thời. Thuyết GUT đồng thời cũng giải thích sự tương đồng giữa điện tích electron và điện tích proton.

Điểm nổi bật của thuyết GUT chính là các hằng số cặp của cả 4 tương tác đều có cùng một giá trị, gần bằng với hằng số mạng tinh thể ở mức năng lượng cao. Tuy nhiên mức năng lượng thống nhất trong lý thuyết lên đến 10¹⁵ GeV trong khi các máy gia tốc hiện tại mới chỉ đạt tới 3×103 GeV. Vì vậy, cần có một sự tiến bộ lớn trong công nghệ để thực hiện được những thí nghiệm kiểm chứng cho thuyết GUT.

Sơ đồ sự thống nhất các lực căn bản

V. Cơ chế Higgs - Higgs Boson

Vào những năm 1980, khi CERN (Tổ chức nghiên cứu nguyên tử châu Âu) xin tài trợ cho LHC (dự án máy gia tốc hạt lớn) từ chính phủ Anh, Thủ tướng Anh lúc đó là bà Magaret Thatcher nói: "Nếu các anh có thể giải thích bằng thứ ngôn ngữ mà chính trị gia như tôi có thể hiểu được gì thì các anh sẽ có được tiền. Tôi muốn biết thứ gọi là hạt Higgs làm gì?"

Và thú vị rằng, các nhà khoa học lúc đó nảy ra một ý tưởng như thế này: Trong một căn phòng đông người, những người này là hạt Higgs. Khi một hạt nào đó di chuyển trong vũ trụ, nó sẽ tương tác với các hạt Higgs.

Lấy ví dụ như thế này: một người không mấy ai biết đến di chuyển qua phòng này, hẳn mọi người sẽ chẳng thèm đoái hoài; thế là những người này có thể dễ dàng nhanh chóng đi qua phòng (và lúc này tốc độ họ đi sẽ rất nhanh, và nếu trong trường hợp không một ai thèm để ý tới họ, họ sẽ di chuyển với tốc độ ánh sáng, tức họ không hề có khối lượng - massless)

Lấy thêm một ví dụ khác: Một người cực kì quan trọng, giả dụ là bà Magaret Thatcher đi vào phòng, tức thì bà sẽ được bao quanh bởi người trong phòng. Và họ cứ thế vây quanh bà, bà sẽ di chuyển qua đám đông cực kì khó khăn và chậm chạp. Chính như thế, bà sẽ "nặng" hơn.

Hai ví dụ mà các nhà khoa học nghĩ ra đã khái quát hóa được chính xác chức năng của hạt Higgs, Hạt Higgs vây quanh các hạt vật chất và làm cho hạt vật chất có khối lượng, ví dụ những hạt electron, proton,... Ngược lại hạt Higgs "làm ngơ" với các hạt loại trường, và làm cho các hạt này không có khối lượng nghỉ, thí dụ là hạt photon ánh sáng. Và như thế hạt Higgs là nguyên nhân của khối lượng vật chất. Và cuối cùng dự án LHC được tiền vì lời giải thích hóm hỉnh của các nhà vật lý học.

Newton nghĩ rằng ông đã có lực hấp dẫn trong tay vào năm 1665. Nhưng 250 năm sau, một khoa học trẻ tên là Einstein đã công nhiên rằng hấp dẫn không phải là một tính chất của Trái đất hay bất kì vật chất nào khác - hấp dẫn là cái bạn thấy khi vật chất làm biến dạng không - thời gian.

Quan điểm của Einstein thổi lên những luồng gió mới. Và trong khi kiến thức hiện nay của thuyết tương đối rộng là không cần thiết cho một cuộc sống hạnh phúc và trọn vẹn, nhưng nó thiết yếu cho các nhà vật lí mở mang đầu óc của họ xem vũ trụ thật sự hoạt động như thế nào. Tiến nhanh cho đến bây giờ, và nếu một nhân vật kém nổi tiếng hơn Neuton và Einstein là Peter Higgs là đúng, thì sự nhận thức của chúng ta về khối lượng sẽ tiến thêm bước nữa.

Khối lượng là một trong những thứ mà cố hữu chúng ta "có" - một số thứ thì nặng hơn những thứ khác, và khối lượng của các vật không thay đổi từ ngày này sang ngày tiếp theo. Chúng ta biết hoặc có thể tính ra khối lượng của mọi thứ trên hành tinh, từ một nguyên tử hydrogen (1,6x10^-27 kg) đến một chiếc phản lực (400.000 kg) cho đến bản thân hành tinh (5,6x10²⁴ kg). Và chúng ta biết khối lượng của các vật thật ra là tổng khối lượng của tất cả các nguyên tử cấu tạo nên nó.

Nhưng vào thập niên 1960, nhà vật lí người Anh Peter Higgs đi đến một ý tưởng tách khối lượng ra khỏi cái gì đó hoàn toàn hiển nhiên, thành một cái gì đó mơ màng như bản thân thập niên 60 vậy.

Ông nói khối lượng không phải là một tính chất của vật chất. Thay vào đó, một trường không nhìn thấy chứa đầy mọi góc cạnh của vũ trụ, và các vật có khối lượng bằng cách tương tác với trường đó. Trường tương tác với một hạt càng mạnh (trường này gọi là trường Higgs), thì hạt càng nặng.

Hạt Higgs ra đời trong mô hình chính thống, nó giải thích nguyên nhân gây ra khối lượng quán tính. Hạt Higgs cũng gây ra bất đối xứng trong các nhóm gauge.

Hạt Higgs (hay chính xác hơn là trường đi cùng với nó - trường Higgs) được cho là lấy khối lượng của chúng thông qua tương tác với một trường phổ biến (trường Higgs), do hạt Higgs mang theo "bám" lên những hạt khác và từ đó cung cấp cho chúng tính chất gọi là khối lượng. Hạt Higgs là một boson có spin bằng không.

Các electron thật sự nhẹ, nên trường Higgs khó tương tác với chúng. Các quark cấu tạo nên proton và neutron thì nặng hơn electron nhiều, vì trường Higgs tác dụng lên chúng mạnh hơn nhiều, khiến chúng khó tách rời ra hoặc chuyển động chậm lại. Các photon, 12 những gói năng lượng cấu tạo nên bức xạ điện từ, không có khối lượng. Nên chúng lao qua vũ trụ như thể trường Higgs không hề có mặt - các photon và trường Higgs hoàn toàn "phớt lờ" nhau.

Ý tưởng của Higgs nhận được sự hoan nghênh từ phía đa số các nhà vật lí, và một số người khác thì la toáng lên bất ngờ. Tại sao ông lại làm phức tạp thêm một khái niệm như khối lượng vốn đã hoạt động khá tốt?

Trong thế kỉ 20, các nhà vật lí lượng tử đã phát hiện và lí thuyết hóa những thứ ngày một kì lạ hơn về thế giới hạ nguyên tử. Vào thập niên 1960, các nhà vật lí đang dồn về với nhau mọi thứ họ biết về các hạt hạ nguyên tử và các tương tác của chúng thành một lí thuyết hoặc mô hình. Đó là một lời kêu gọi lớn, với sự thưởng phạt lớn - mọi thứ cấu tạo từ vật chất, cho nên việc tìm hiểu các hạt cấu tạo nên vật chất và các lực chi phối cái diễn ra ở cấp độ ấy là công việc ưu tiên hàng đầu.

Vào đầu thập niên 1970, mô hình xuất hiện gần như làm được công việc đó. Mô hình Chuẩn của vật lí hạt cơ bản bao quát 12 hạt hạ nguyên tử (bao gồm electron cũng như các quark cấu tạo nên neutron và proton), các phản hạt của chúng, và ba trong số bốn lực chi phối mọi tương tác của chúng. Nó còn tiên đoán các hạt chưa biết vào lúc ấy, nhưng rồi đã được tìm thấy trong các thí nghiệm năng lượng cao. Khi mô hình trên tiến trình hoàn thiện, thì người ta gặp hai trở ngại lớn.

Một trong những trở ngại này là nó không cho phép bất kì hạt nào có khối lượng.

Mọi hạt trên thực tế chúng ta biết là có khối lượng - nó đã được đo và chứng minh - nên vật lí học cần một lời giải cho bài toán khối lượng, hay nó cần một mô hình mới. Đó là nơi ngài Higgs của chúng ta và trường lực mang tên ngài xuất hiện. Nếu trường Higgs thật sự là cơ sở của khối lượng, thì thật là tốt cho bản thân các hạt hạ nguyên tử không có khối lượng vì chúng cần đến nó chỉ bởi việc tương tác với trường, và Mô hình Chuẩn vẫn trụ vững. Nhưng nếu rốt cuộc không có trường Higgs, thì chúng ta chẳng có cách nào giải thích khối lượng và vật lí hạt sơ cấp sẽ ở lại với Mô hình rất Dưới chuẩn.

Vậy làm thế nào chúng ta tìm ra một trường không nhìn thấy chiếm giữ mọi góc cạnh không gian trong vũ trụ? Chúng ta hãy săn tìm boson của nó.

Cơ chế Higgs là một quá trình trong đó các boson gauge của lý thuyết gauge có thể nhận được khối lượng khối lượng khác zero thông qua sự phá vỡ đối xứng tự phát.

Cách thực hiện đơn giản nhất của cơ chế này là đưa thêm từ ngoài vào lý thuyết gauge một trường gọi là trường Higgs. Sau đó sự phá vỡ đối xứng tự phát của đối xứng định xứ làm cho trường Higgs tương tác với (ít nhất là một) các trường khác của lý thuyết gauge, và sinh ra khối lượng (cho ít nhất một) cho các boson gauge. Phá vỡ đối xứng cũng sinh ra những hạt vô hướng (spin 0) cơ bản, còn gọi là boson Higgs.

Cơ chế Higgs còn được nhắc đến với sự sinh khối lượng cho các hạt boson gauge boson W và boson Z của tương tác yếu thông qua sự phá vỡ đối xứng điện yếu. Mặc dù thực nghiệm đã chứng minh cơ chế Higgs cho tương tác điện yếu, các nhà thực nghiệm đã phát hiện được boson Higgs như Mô hình chuẩn đã tiên đoán (Ngày 4 tháng 7 năm 2012, các nhà vật lý học tại Tổ chức Nghiên cứu Nguyên tử Châu Âu (CERN) đã nhận ra sự tồn tại của một hạt có những đặc tính "thích hợp với boson Higgs").

13 Máy Tevatron ở Fermilab và Máy gia tốc hạt lớn (LHC) ở CERN đang trong quá trình cố gắng hiểu sâu hơn cơ chế Higgs trong tương tác điện yếu.

Sự Phá vỡ đối xứng tự phát là một cách để đưa ra các boson vào trong các lý thuyết trường lượng tử tương đối tính. Tuy nhiên, theo định lý Goldstone, các boson này phải phi khối lượng. Nhưng chỉ có những hạt đã quan sát thấy bằng thực nghiệm tuân theo cách giải thích xấp xỉ như là boson Goldstone đó là các pion, mà Yoichiro Nambu đã liên hệ với phá vỡ đối xứng chiral.

Một vấn đề tương tự xuất hiện trong lý thuyết Yang-Mills (còn gọi là lý thuyết gauge phi abelian), lý thuyết tiên đoán các boson gauge với spin-1 phải không có khối lượng. Vì cần thiết phải có các boson gauge phi khối lượng thì mới đảm bảo cho tương tác điện từ có ảnh hưởng ở những khoảng cách lớn được (và boson gauge phi khối lượng này tương ứng với photon, hạt tải lực của tương tác điện từ). Nhưng tương tác yếu lại chỉ có tác dụng trong thang đo nguyên tử, vì vậy các hạt tải lực của tương tác yếu cần phải có khối lượng khác không để khoảng cách của tương tác yếu giảm đi. Và lý thuyết gauge về tương tác yếu cần một phương pháp để miêu tả các boson có khối lượng này.

Vấn đề nằm ở đây, mô hình chuẩn dựa trên những nguyên tắc toán học chính xác gọi là sự đối xứng, và những nguyên tắc toán học này đòi hỏi các hạt fermion và boson truyền tương tác đều phải có khối lượng bằng 0. Nhưng thực tế thì electron hay các hạt W+, W- và Z có khối lượng, và chỉ có neutrino có khối lượng gần bằng 0. Như vậy là không ổn, để giải quyết điều này, người ta cho rằng ban đầu các lepton đúng là có khối lượng bằng 0, thời điểm này đã rất xa hiện tại, và có thể hiểu nó gần mới thời điểm của vụ nổ Big Bang.

Cụ thể hơn, nhiệt độ của vũ trụ khi ấy rất lớn và các hạt do đó chuyển động nhanh và mang năng lượng cao. Khi nhiệt độ vũ trụ giảm đi thì điều đó không còn đúng nữa, người ta cho rằng việc giảm nhiệt này dẫn tới một sự phá vỡ đối xứng giữa các hạt fermion kết cặp ở trên. Đồng thời với sự phá vỡ này, nhà vật lý Peter Higgs đưa vào một hạt boson có spin = 0 để khi tương tác với các hạt kết cặp nó sẽ truyền khối lượng cho các hạt đó, như vậy thì các lepton mang điện (electron) và các boson truyền tương tác yếu sẽ có khối lượng. Hạt đó sau này được gọi là Higgs boson. Do đó Higgs vô cùng quan trọng với lý thuyết Mô hình chuẩn, có thể nói gần như tất cả những dự đoán của Mô hình chuẩn đã được kiểm chứng, việc còn lại là người ta chắc chắn rằng hạt được tìm thấy ở CERN vào 4/7/2012 là hạt Higgs, và mọi người đã có niềm tin là như thế.

Như đã nói ở trên, phá vỡ đối xứng kết cặp chỉ xảy ra ờ thời điểm mà vũ trụ bắt đầu nguội đi sau Big Bang, khi ấy thì hạt Higgs xuất hiện. Vì thế để có thể dò tìm hạt Higgs, người ta cần mô phỏng lại những điều kiện như thế. Các điều kiện này chỉ có thể có ở những máy gia tốc có năng lượng rất cao như LHC (Máy gia tốc hạt lớn) ở CERN (Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu, trụ sở chính tại Thụy Sỹ) và Tevantron ở Fermilab (bang Illinois, Hoa Kỳ).

Khi hạt được tìm thấy ở CERN chính là hạt Higgs thì công cuộc tìm kiếm mảnh ghép cuối cùng của mô hình chuẩn sẽ kết thúc. Môt lý thuyết đẹp tuyệt đã được giải mã hoàn toàn. Thực sự là khi ấy chưa biết điều gì sẽ xảy ra tiếp theo nữa. Có thể người ta đi giải quyết một số vấn đề khác như khối lượng của hạt neutrino, ứng viên vật chất tối và rồi lại nảy sinh một hạt cơ bản mới, thậm chí tương tác mới .... Có thể rất nhiều trong số chúng sẽ được sử dụng để chiếc chip máy tính của chúng ta chạy với tôc độ chóng mặt hay một cơ chế cho phép bạn du hành vũ trụ , đó là việc của tương lai.

Mô hình chính thống (SM - Standard model) của vật lý hạt là thuyết miêu tả về tương tác mạnh, tương tác yếu, lực điện từ cũng như những hạt cơ bản tạo nên vật chất. Được phát triển vào những năm đầu của thập niên 1970, mô hình chính thống là một phần của lý thuyết trường lượng tử, một lý thuyết đã kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp. Ngày nay, hầu hết các thí nghiệm kiểm chứng về 3 lực miêu tả bởi mô hình chính thống đều đúng như những dự đoán của thuyết này. Tuy nhiên, mô hình chính thống vẫn chưa là một thuyết thống nhất các lực tự nhiên một cách hoàn toàn, do sự vắng mặt của lực hấp dẫn.

Mô hình chính thống chứa cả hai loại hạt cơ bản là fermion và boson. Fermion là những hạt có spin bán nguyên và tuân thủ theo nguyên lý loại trừ của Wolfgang Pauli. Các hạt boson có spin nguyên và không tuân theo nguyên lý Pauli. Khái quát hóa, fermison là những hạt vật chất còn boson là những hạt truyền tương tác.

Trong mô hình chính thống, thuyết điện từ - yếu (bao gồm cả tương tác yếu lẫn lực điện từ) được kết hợp với thuyết sắc động lực học lượng tử. Tất cả những thuyết này đều là lý thuyết gauge, có nghĩa là chúng mô hình hóa các lực giữa các fermion bằng cách tạo ra các boson, có tác dụng như các thành phần trung gian. Hệ Lagrangian của mỗi tập hợp hạt boson trung gian không thay đổi dưới một dạng biến đối gọi là biến đổi gauge, vì thế các boson này còn được gọi là gauge boson. Các boson trong Mô hình chính thống là:

• Photon, hạt trung gian trong tương tác điện từ.
• W và Z boson, hạt trung gian trong lực hạt nhân yếu.
• 8 gluon, hạt truyền trung gian trong lực hạt nhân mạnh. 6 trong số các gluon được đánh dấu bằng các cặp "màu" và "đối màu" (ví dụ như một hạt gluon mang màu "đỏ" và "đối đỏ"), 2 gluon còn lại là cặp màu được "pha trộn" phức tạp hơn.
• Higgs boson, hạt gây ra bất đối xứng trong các nhóm gauge, và cũng là loại hạt tạo ra khối lượng quán tính.

Biến đổi gauge của các gauge boson có thể được miêu tả bởi một nhóm unita, gọi là nhóm gauge. Nhóm gauge của tương tác mạnh là SU(3), nhóm gauge của tương tác yếu là SU(2)xU(1). Vì vậy, mô hình chính thống thường được gọi là SU(3)xSU(2)xU(1). Higg boson là boson duy nhất không thuộc gauge boson, các tính chất của boson này vẫn còn đươc bàn cãi. Graviton là boson được cho là hạt truyền tương tác của tương tác hấp dẫn, nhưng không được nhắc đến trong mô hình chính thống.

Có 12 dạng fermion khác nhau trong mô hình chính thống. Cùng với các hạt proton, neutron và electron, những fermion cấu thành nền phần lớn các vật chất. Mô hình chính thống xác định mỗi electron là hạt cơ bản; proton và neutron là hạt tổ hợp, được tạo bởi các hạt nhỏ hơn có tên gọi là quark. Các hạt quark dính với nhau bởi tương tác mạnh.

Các fermion có thể được sắp xếp trong 3 lớp, lớp thứ nhất có chứa electron, quark trên (up), quark dưới (down) và electron neutrino. Tất cả các vật chất nguyên sinh được tạo bởi nhóm hạt ở lớp đầu tiên; các hạt ở lớp cao hơn phân rã nhanh chóng xuống lớp thứ nhất và chỉ có thể được tổng hợp trong một thời gian thực ngắn, thông qua các thí nghiệm năng lượng cao. Lý do để sắp xếp các fermion vào các lớp khác nhau mặc dù các đặc điểm của chúng gần giống nhau, ví dụ như electron và muon cùng có spin bán nguyên và có cùng điện tích electron, là do khối lượng của muon lớp gấp 200 lần khối lượng của electron, do đó chúng được sắp xếp vào các lớp riêng biệt.

Mặc dầu mô hình chính thống đã có một thành công rất lớn trong việc giải thích các kết quả của thực nghiệm, song nó vẫn chưa thể trở thành một thuyết hoàn chỉnh trong vật lý cơ bản. Đó là do 2 nguyên nhân:

• Mô hình này còn chứa 19 tham số tự do, như khối lượng của các hạt. Các tham số này không thể tính toán một cách độc lập
• Mô hình này không miêu tả tương tác hấp dẫn

Hiện tại, mô hình này đang gặp một thử thách không nhỏ, đó là nghi vấn về sự xuất hiện của các hằng số không bền, như c hay e, hay cả hằng số mạng tinh thể. Nếu như các định luật vật lý được chứng mình có vị trí phụ thuộc và có thể khác nhau ở các tọa độ đặc biệt trong không gian, điều đó có nghĩa là tất cả các thí nghiệm sử dụng để chứng minh cho mô hình chính thống đều không hợp lệ.

VI. Lý luận mới về hạt vật chất tạo nên vũ trụ

Giáo sư Hosoya Yu thuộc trường Đại học Osaka (Nhật Bản) đã đưa ra một lý luận mới cho rằng hạt Higgs boson - dùng để xây dựng mô hình lý thuyết chính thống và hạt vật chất tối. Lý luận mới này nếu được chứng thực sẽ làm thay đổi rất lớn lý luận về vũ trụ hiện nay. Higgs boson là một loại hạt được cho là nguồn gốc chất lượng của vũ trụ và là hạt mới được tìm thấy trong số 62 hạt cơ bản trong mô hình lý thuyết chính thống. Theo lý luận hiện nay, hạt Higgs boson rất không ổn định và rất dễ biến dạng thành các hạt khác, trong khi đó hạt vật chất tối là loại hạt chiếm hầu hết khối lượng Trái Đất lại đang rất ổn định.

Giáo sư Hosoya Yu chỉ ra rằng vũ trụ không chỉ là một dạng không gian 4 chiều của không gian và thời gian mà là một không gian 5 chiều hoặc hơn thế nữa, trong đó có sự tác động lẫn nhau giữa các hạt.

Từ giả thuyết này suy luận hạt Higgs boson sẽ không phân rã mà có khả năng đang ở trong trạng thái ổn định và không mang điện, và nó có cùng một vật chất với hạt vật chất tối.

Theo các phương tiện truyền thông, giáo sư Hosoya Yu đã từng trình bày và miêu tả lý luận mới này của ông cho nhà vật lý Yoichiro Nambu - người đã đạt giải thưởng Nobel vật lý năm 2008.

Yoichiro Nambu cho rằng, lý luận này mặc dù chưa có ai đề cập đến tuy nhiên nó lại có tính khả thi.

Một vấn đề khác là liệu hạt Higgs có phải là cơ bản hay không hay hạt Higgs cũng được cấu tạo bởi những hạt khác cơ bản hơn (lý thuyết technicolor-đa sắc).

Các chiều thêm (extra dimension) của không thời gian. Theo lý thuyết siêu dây thì ngoài không thời gian 4 chiều còn tồn tại 6 đến 7 chiều nữa gọi là chiều thêm. Không gian các chiều thêm có thể có nhiều dạng (nhiều tôpô): hình cầu, hình xuyến, hai hình xuyến giao nhau tạo nên những tay quai (handles), và v.v....

Hình 2. Mỗi điểm của không gian vĩ mô ẩn chứa một đa tạp các chiều thêm . Các quy luật vật lý quan sát được trong không gian vĩ mô phụ thuộc vào kích thước và cấu trúc của đa tạp các chiều thêm.

Những chiều thêm này sẽ làm thay đổi cường độ các lực và cũng có thể tích hợp chúng với nhau. Nếu có các chiều thêm thì sự tích hợp này có thể xảy ra ở năng lượng vài TeV (thay vì 1012 TeV nếu các chiều thêm không thời gian không tồn tại).

CHưƠNG 2 - QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM TÌM KIẾM HẠT HIGGS

Tìm kiếm boson Higgs đòi hỏi nhiều thủ thuật. Giống như đa số các hạt hạ nguyên tử, nó không bền, và chỉ tồn tại ở các năng lượng cao. Loại năng lượng vào khoảng ngay sau Big Bang, hoặc khi chúng ta cho các hạt hạ nguyên tử lao vào nhau ở tốc độ gần như bằng ánh sáng. Do đó việc tìm hạt Higgs gắn liền với sự phát triển của các máy gia tốc va chạm hạt, có thể nói là không thể thiếu những cỗ máy này. Vì vậy, quá trình phát triển của các máy gia tốc cũng chính là quá trình tiến gần tới hạt Higgs. Do đó theo dõi sự "truy lùng hạt Higgs" cũng chính là theo dõi sự phát triển của những máy gia tốc. Chúng ta điểm qua quá trình phát triển của một số máy gia tốc.

Máy LHC được chế tạo bởi Tổ chức nghiên cứu hạt nhân Châu Âu (CERN), nằm bên dưới mặt đất tại biên giới Pháp-Thụy Sĩ giữa núi Jura và dãy Alps gần Genève, Thụy Sĩ. Dự án được cung cấp kinh phí và chế tạo với sự tham gia cộng tác của trên tám nghìn nhà vật lý của 15 quốc gia cũng như hàng trăm trường đại học và phòng thí nghiệm. Những tia hạt đầu tiên được dẫn vào trong máy ngày 10 tháng 9 năm 2008, và phải chờ khoảng 6 đến 8 tuần sau đó mới có được các đợt va chạm với năng lượng cực lớn đầu tiên.

Hình 3. Bản đồ vị trí LHC (nguồn internet)

I. Thiết kế vận hành LHC

LHC được chứa trong một đường hầm vòng tròn với chu vi 27 km, nằm ở độ sâu từ 50 đến 175 m dưới mặt đất. Đường kính hầm là 3,8 m, có cấu trúc bê tông, được xây dựng trong các năm từ 1983 đến 1988, nguyên được dùng làm nơi chế tạo máy Large Electron- Positron Collider (LEP). Trên mặt công trình bao gồm rất nhiều thiết bị hỗ trợ như máy nén, quạt gió, các thiết bị điện tử điều khiển và các thiết bị làm mát. Đường hầm chứa LHC có hai đường dẫn tia hạt song song sát nhau, giao nhau ở 4 điểm, mỗi đường sẽ chứa một tia proton, được lưu chuyển vòng quanh vòng tròn từ hai hướng ngược nhau. Có 1.232 nam châm lưỡng cực giữ cho các tia đi đúng đường tròn, thêm vào đó là 392 nam châm tứ cực được dùng để giữ các tia luôn hội tụ, để làm cho cơ hội va chạm dòng hạt ở 4 điểm giao nhau là cao nhất. Tổng cộng có trên 1.600 nam châm siêu dẫn được trang bị, với chiếc nặng nhất lên tới hơn 27 tấn. Cần tới khoảng 96 tấn heli lỏng để giữ các nam châm hoạt động ở nhiệt độ 1,9 độ K, khiến cho LHC trở thành thiết bị siêu lạnh lớn nhất thế giới với nhiệt độ của heli lỏng.

Các nam châm điện tứ cực siêu truyền dẫn được dùng để giữ các tia hạt đi tới 4 điểm tương tác, nơi xảy ra va chạm giữa các hạt proton.

Một hoặc hai lần một ngày, động năng của các hạt proton được gia tăng từ 450 GeV lên đến 7 TeV, từ trường của các nam châm siêu dẫn lưỡng cực được tăng từ 0.54 lên 8.3 tesla (T). Các proton ở mỗi đường dẫn sẽ có năng lượng đạt 7 TeV, giúp cho năng lượng va chạm đối diện đạt 14 TeV (tương đương 2.2 μJ). Ở mức năng lượng này, các proton có hệ số Lorentz là 7.500 và di chuyển với vận tốc bằng 99,9999991% vận tốc ánh sáng. Mỗi giây chúng bay quanh đường hầm 11,000 vòng. Các proton không phải là tia liên tục, thay vào đó được tạo thành các chùm, với khoảng 2,808 chùm, với số lượng đó, khoảng thời gian giữa các va chạm không bao giờ ngắn hơn 25 ns. Khi máy gia tốc lần đầu tiên được sử dụng, nó sẽ hoạt động với số chùm ít hơn, khoảng cách thời gian mỗi chùm là 75 ns. Số các chùm sau đó sẽ được tăng lên cho đến quãng cách cuối cùng là 25 ns.

Trước khi được đưa vào bộ gia tốc chính, các hạt được đi qua một chuỗi hệ thống tuần tự làm tăng năng lượng của chúng. Hệ thống đầu tiên là máy gia tốc hạt tuyến tính Linac 2 gia tốc các proton lên động năng 50 MeV, sau đó được đưa vào máy Proton Synchrotron Booster. Các proton tại đó được tăng tốc lên 1.4 GeV rồi được dẫn vào máy Proton Synchrotron (PS), ở đây chúng đạt động năng 26 GeV. Cuối cùng máy Super Proton Synchrotron (SPS) được dùng để tăng năng lượng của chúng lên 450 GeV trước khi dẫn vào (qua một giai đoạn 20 phút) vòng tròn chính. Tại đây các chùm proton được tích lũy và tăng tốc lên năng lượng đỉnh là 7 TeV, cuối cùng chúng được dự trữ trong 10 đến 24 tiếng trong khi các va chạm xảy ra tại 4 giao điểm.

Máy LHC cũng sẽ được dùng để tạo va chạm các ion nặng chì (Pb) với năng lượng tương tác là 1150 TeV. Các ion Pb đầu tiên sẽ được gia tốc bởi máy gia tốc tuyến tính Linac 3, còn máy phun năng lượng thấp Low-Energy Injector Ring được dùng làm bộ lưu trữ ion và làm mát. Các ion sau đó sẽ được gia tốc lên thêm bằng máy PS và SPS trước khi dẫn vào máy LHC, ở đây chúng đạt năng lượng 2,76 TeV trên mỗi hạt nhân.

II. Các bộ phân tích cua LHC

Hinh 4. Bộ phân tích CMS detector (Compact Muon Solenoid) của LHC (nguồn internet)

Có sáu bộ phân tích (detector) đã được xây dựng trong hệ thống của LHC, nằm trong những hang lớn bên dưới mặt đất được đào tại các điểm giao của LHC. Hai bộ trong số đó, là ATLAS experiment và Compact Muon Solenoid (CMS), là những bộ phân tích hạt đa mục đích có kích thước lớn. Hai bộ A Large Ion Collider Experiment (ALICE) và LHCb có các chức năng riêng biệt hơn, và hai bộ còn lại nhỏ hơn nhiều là TOTEM và LHCf dành cho các nghiên cứu chuyên môn đặc biệt. Bản tóm tắt của BBC về các bộ phân tích chính là:

• ATLAS - một trong hai bộ phân tích đa mục đích. ATLAS sẽ được sử dụng để tìm kiếm những dấu hiệu vật lý học mới, bao gồm nguồn gốc của khối lượng và các chiều phụ trợ.
• CMS - một bộ phân tích đa mục đích khác, giống với ATLAS, sẽ lùng sục các hạt Higgs và tìm kiếm những manh mối về bản chất của vật chất tối.
• ALICE - sẽ nghiên cứu một dạng "lỏng" của vật chất gọi là quark-gluon plasma, dạng tồn tại rất ngắn sau Vụ nổ lớn.
• LHCb - so sánh những lượng vật chất và phản vật chất được tạo ra trong Vụ nổ lớn.

LHCb sẽ cố gắng tìm hiểu chuyện gì đã xảy ra đối với phản vật chất "bị thất lạc".

III. Quá trình hoạt động của LHC

10/09/2008: bắt đầu đi vào hoạt động.

20 19/09/2008: một kết nối điện giữa 2 nam châm bị hỏng, gây ra một phản ứng dây chuyền dẫn đến hư hại nặng: Một trong số nhiều nam châm khổng lồ tạo nên trái tim của máy gia tốc trở nên quá nóng - hay đúng hơn là lạnh quá ít (nam châm siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ của heli lỏng).

Trong một cuộc phỏng vấn với Đài "Tiếng nói nước Nga", đại diện của Trung tâm nghiên cứu CERN, Frederick Bordry đã cho biết về điều này: "Khúc mắc là ở chỗ, một kết nối cáp đồng trong số 10 nghìn chiếc đã không được hàn. Thất thoát nhiệt dẫn tới heli lỏng lọt vào buồng chân không, áp lực tăng lên, làm hỏng khoảng 50 đoạn nam châm siêu dẫn. Chúng tôi đã kiểm tra lại 10 nghìn kết nối và phát hiện rằng đây là trường hợp duy nhất".

20/11/2009: cỗ máy bắt đầu hoạt động trở lại.

Hồi tháng 3/2010, đã tạo ra các dòng hạt công suất 3,5 TeV - teraelectronvolt.

IV. Chi phí của dự án LHC

Tổng chi phí cho dự án được yêu cầu ở mức từ 3,2 đến 6,4 tỷ đô la. Công trình xây dựng mang tên LHC được đồng ý vào năm 1995 với kinh phí là 2,6 tỷ franc Thụy Sĩ (1,6 tỷ đô la), cộng với 140 triệu đô la cho các nghiên cứu. Tuy nhiên, chi phí đã tăng lên, theo ước lượng năm 2001, máy gia tốc cần chi phí 300 triệu đô la (480 triệu franc), và các thí nghiệm cần 30 triệu đô la (50 triệu franc), cùng với việc cắt giảm chi phí của CERN, thời gian dự kiến hoàn thành cũng chuyển từ năm 2005 sang tháng 4 năm 2007. Những nam châm siêu dẫn cần mức giá tăng thêm là 120 triệu đô la (180 triệu franc). Ngoài ra còn có nhiều trở ngại như việc xây một hang ngầm cho chiếc máy Compact Muon Solenoid, nơi gây ra một tai nạn chết người.

V. Sứ mạng của LHC

Sau đây là những vấn đề lớn mà các nhà vật lý kỳ vọng có được câu trả lời nhờ máy gia tốc LHC (và ILC).

Sự truy tìm hạt Higgs đúng là bài toán nền tảng. Nhưng sau bài toán này hàm ẩn nhiều bài toán khác như: vì sao lực hấp dẫn lại yếu hơn các lực khác nhiều đến thế? vật chất tối là gì ? đâu là bản chất của không thời gian? phải chăng vật chất tối là một loại hạt mới? Và điều đáng chú ý là những vấn đề ấy lại liên quan với nhau và với vấn đề hạt Higgs. Có thể liệt kê cụ thể hơn các vấn đề:

1) Kiểm tra Mô hình Chuẩn và nghiên cứu điều gì đã phá vỡ đối xứng điện yếu: vấn đề trung tâm là tìm hạt Higgs.

2) Phát hiện các hạt siêu đối xứng: theo lý thuyết siêu đối xứng SUSY (SuperSymetry) ứng với mỗi hạt fermion có spin bán nguyên tồn tại một hạt siêu đối xứng boson có spin nguyên và ngược lại. Lý thuyết siêu đối xứng quan trọng cho sơ đồ thống nhất 4 loại tương tác.

3) Vật chất tối: những hạt WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles-những Hạt có Khối lượng Tương tác Yếu với nhau) là những hạt suy ra từ siêu đối xứng, hạt nhẹ nhất trong các WIMPs là neutralino có thể là ứng viên của vật chất tối.

4) Trả lời cho câu hỏi: liệu có tồn tại các chiều thêm (extra dimension) của không thời gian ngoài 4 chiều (1 chiều thời gian và 3 chiều không gian) không?

VI. Quá trình tìm hạt Higgs

Peter Renton, nhà vật lý hạt thuộc Đại Học Oxford, đã cho công bố phương pháp tiếp cận hạt Higgs của mình trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature. Ông cho biết đã lần ra được manh mối về hạt Higgs nhờ các nhà nghiên cứu tại một cơ sở nghiên cứu nguyên tử ở Thụy Sỹ. Nếu phát hiện của Renton là chính xác thì khối lượng của Higgs boson được xác định ở vào khoảng 115 gigaelectronvolt.

Hình 5: Biểu đồ phức hợp với sự có mặt của boson Higgs.

Niềm tin của Renton bắt đầu từ một tín hiệu do máy LEP ở Geneva (Thụy Sỹ) tạo ra.(LEP đã ngừng hoạt động để thay thế bằng LHC). Tuy nhiên, các chuyên gia cho rằng có 9% khả năng là tín hiệu này được tạo ra từ "tiếng động" nền.

Hạt Higgs có độ bất ổn định rất cao, vì vậy chúng nhanh chóng phân rã khi được tạo ra. Tiến sĩ Renton cho biết ông đã có những bằng chứng gián tiếp từ việc quan sát hành vi của các loại hạt khác trong máy va chạm, phù hợp với con số 115 gigaelectronvolt - khối lượng của hạt Higgs.

Theo kết quả công bố trên Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 081802, các nhà vật lý làm việc trong đề tài HyperCP tại Fermilab (Mỹ) đã khẳng định họ có thể vừa có những kết quả ban đầu về Higgs boson. Tuy nhiên, nhưng cuối cùng thì đây là kết quả chưa chắc chắn.

Tuy nhiên, các nhà vật lý khi phân tích các số liệu từ thí nghiệm HyperCP ở Fermilab vào tháng 1/2006 đã phát biểu rằng phòng thí nghiệm đã đạt được điều đó lần đầu tiên. Thí nghiệm này bao gồm việc bắn phá một chùm proton ở một bia cố định, làm xuất hiện 3 "sự kiện" trong đó một hạt Sigma+ phân rã thành một photon và một cặp muon, phản muon. Mặc dù 3 "sự kiện" thường không liên quan đáng kể đến nhau, nhưng German Valencia (Đại học Tổng hợp bang Iowa, Mỹ) cùng các đồng nghiệp đã giả định rằng các sự kiện này có thể được hiểu như một bằng chứng cho một hạt mới với khối lượng 214,3 MeV, được họ đặt cho tên là "hạt HyperCP".

Do nó khá nhẹ và có xác suất tương tác yếu, HyperCP sẽ không phù hợp với mô hình trường chính thống. Tuy nhiên, nó có thể được giải thích bằng cách sử dụng "Mô hình chính thống siêu đối xứng gần đúng cực tiểu" (Next-to-minimal supersymmetric standard model - NMSSM). Đây là một trong số các mô hình siêu đối xứng, có xu hướng lý giải tại sao các lực cơ bản lại có sự khác biệt đến vậy về cường độ bằng cách giả thiết 2 hoặc nhiều hơn số các hạt. Trong mô hình NMSSM, có 7 Higgs boson, và nhóm của Valencia cho rằng hạt HyperCP có thể là hạt nhẹ nhất trong số này. Gặp gỡ Blois lần thứ 22 diễn ra từ ngày 15 đến 20-7-2010 đưa ra và phân tích kết quả đầu tiên thu được tại LHC, Gặp gỡ Blois 2010 cũng lắng nghe các báo cáo về những vấn để thời sự khác trong vật lý hạt cơ bản, như về cuộc săn lùng hạt Higgs.

Hội nghị vật lý hạt và năng lượng cao (HEP-International Conference on High Energy Physics) vừa diễn ra tại Paris, Pháp từ ngày 22 đến ngày 28 tháng 7, năm 2010. Tại hội nghị này, số liệu của máy gia tốc LHC được phân tích và công bố tiếp theo "Gặp gỡ Blois". Ngay sau hội nghị chính tại Paris, một hội nghị vệ tinh đã được tổ chức tại thành phố Orsay, Pháp từ ngày 29 đến 31 tháng 7/2010 với tiêu đề "Higgs Hunting"- nơi giới thiệu và so sánh những kết quả mới nhất thu được từ hai phòng thí nghiệm hiện đại bậc nhất trong lĩnh vực HEP là Tevatron ( Mỹ) và LHC.

Cuối cùng hạt Boson Higgs đã xuất hiện ở Máy gia tốc hạt lớn LHC, hay nói cách khác "hạt của chúa" đã được con người "nhìn" thấy. Vào ngày 4/7/2012 một seminar được tổ chức tại CERN nhằm chuẩn bị cho cuộc hội thảo quan trọng trong ngành vật lý hạt, ICHEP2012 tại Melbourne, hai nhóm thí nghiệm ATLAS và CMS đã trình bày những kết quả sơ bộ mới nhất trong cuộc tìm kiếm hạt Higgs. Cả hai nhóm thí nghiệm đều quan sát thấy một hạt mới có khối lượng trong khoảng 125-126 GeV (gần bằng với dự đoán của tiến sĩ Renton). Fabiola Gianotti, người phát ngôn của nhóm thí nghiệm ATLAS trình bày: "Chúng tôi quan sát từ dữ liệu thu được những dấu diệu rõ rệt về một loại hạt mới, ở mức độ ý nghĩa thống kê 5 sigma, với khối lượng đâu đó trong khoảng 126 GeV. Kỳ công của LHC và ATLAS cùng nỗ lực to lớn từ rất nhiều người đã đưa chúng ta đến với bước tiến đầy hứng khởi này, những kết quả vẫn còn sơ bộ, nhưng mức ý nghĩa 5 sigma trong khoảng 125 GeV mà chúng tôi được thấy quả là điều kịch tính. Đây thực sự là một hạt mới. Chúng tôi biết đó phải là một loại hạt boson, và là hạt boson nặng nhất mà chúng ta được biết đến". Vậy là hạt Higgs xem như đã được loài người "nhìn" thấy vào năm 2012. Bước tiếp theo cho các nhà khoa học là xác định bản chất chính xác của hạt mới cũng như ý nghĩa của nó đối với hiểu biết của con người về vũ trụ. Liệu những đặc tính của nó có giống như kỳ vọng lâu nay về hạt Higgs - thứ còn đang thiếu để minh chứng cho lý thuyết Mô hình Chuẩn của vật lý hạt? Hay nó là thứ gì đó mới mẻ hơn? Mô hình Chuẩn mô tả các hạt cơ bản mà tất cả chúng ta và mọi thứ khác trong vũ trụ được cấu thành, cùng những lực tương tác giữa mọi đối tượng với nhau. Tuy nhiên, mọi thứ vật chất mà chúng ta đã biết, chỉ chiếm khoảng hơn 4% trong vũ trụ và hạt Higgs có thể là cầu nối đầu tiên để chúng ta hiểu được 96% còn lại mà hiện vẫn còn đang mơ hồ.

Việc tìm thấy một loại hạt phù hợp với các định dạng về hạt Higgs sẽ mở ra chặng đường mới với những nghiên cứu chi tiết hơn, những bộ dữ liệu lớn hơn, nhằm xác định các đặc tính của loại hạt mới, và vén màn những bí ẩn khác trong vũ trụ của chúng ta.

Việc xác định các đặc tính của hạt mới sẽ cần nhiều thời gian và dữ liệu. Nhưng dù kết quả thu được là gì, con người đã đạt được một bước tiến mới trong hiểu biết về cấu trúc cơ bản của vật chất. Phát biểu tại khán phòng của CERN nhà vật lý Peter Higgs đã chúc mừng các nhà nghiên cứu cho khám phá của họ. "Đối với tôi, thật khó tin rằng điều này xảy ra trong quãng đời của mình", ông nói.

>> Xem thêm: LHC hậu boson Higgs

CHƯƠNG 3 - KẾT LUẬN

Các nhà vật lý đã tìm nhiều phương cách để tiếp cận hạt Higgs, và ngày 4/7/2012 hạt Higgs xem như chính thức được tìm thấy thông qua thực nghiệm.

Có tới 6 nhà khoa học đã đặt nền móng cho lý thuyết trường Higgs năm 1964. Nhóm đầu tiên Robert Brout và Francois Englert đến từ Bỉ, ngay sau đó là Peter Higgs ở Scotland, và kế tiếp là Tom Kibble ( Anh) cùng với đồng nghiệp của mình ở Mỹ là Gerald Guralnik và Carl R. Hagen. Tất cả đều độc lập xây dựng một lý thuyết để giải thích cho hiện tượng Phá vỡ đối xứng trong tương tác điện yếu (Electroweak Symmetry Breaking) bằng việc cho rằng có một cơ chế tạo khối lượng thông qua quá trình phá vỡ tức thời của các đối xứng gauge, hệ quả là sự xuất hiện của một đại lượng scalar boson gọi là Higgs Boson. Nhưng giải thưởng Nobel do Hàn lâm viện Hoàng gia Thụy Điển trao tặng chỉ dành cho tối đa 3 nhà khoa học trong một lĩnh vực. Do đó , việc tìm thấy sự tồn tại của hạt Higgs và việc trao giải giải Nobel vật lý là vấn đề có nhiều tranh cãi. Nhưng cuối cùng, Vào chiều ngày 8/10/2013, giải Nobel Vật lý đã được Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển công bố tại Stockholm, với tên hai nhà khoa học được vinh danh là: Francois Englert (Bỉ) và Peter Higgs (Anh) nhờ phát hiện ra hạt Higgs.

Thực ra tất cả 6 nhà khoa học trên là những tên tuổi lớn, công việc của họ không hẳn là ngóng chờ giải Nobel, nhưng giải Nobel chỉ được trao cho hai người, những người còn lại cũng xứng đáng được vinh danh nhưng do thời gian, thời gian làm họ trễ so với hai người được giải. Song với đồng nghiệp và hàng triệu con người khác trên đất nước của họ, con đường đến với giải thưởng này gần như là một cuộc đua trí tuệ, và giải Nobel là phần thưởng không chỉ dành cho cá nhân, mà còn là sự công nhận và là niềm vui của của một quốc gia, một dân tộc.

Hiện nay các nhà vật lý đứng trước một tình huống nhiều ngả đường trong quá trình phát triển vật lý. Những vấn đề khó khăn trước mắt là tìm các hạt siêu đối xứng, vật chất tối, các chiều thêm (extra-dimensions) của không thời gian... Mặt khác các nhà vật lý cũng đang được trang bị một thiết bị lý tưởng là máy gia tốc khổng lồ LHC. Kinh phí rất lớn để xây dựng LHC cũng gây một áp lực lên tâm trạng của các nhà vật lý. Song kinh phí khổng lồ chưa phải là yếu tố quan trọng nhất mà những kết quả khó chờ đợi từ các dữ liệu do LHC cung cấp mới thật sự gây nên tâm trạng lo lắng, hồi hộp của các nhà vật lý: họ đã đi đúng đường? hay họ sẽ bị rơi vào bế tắc vào điểm chết?... Mọi điều đang chờ đợi các nhà vật lý ở phía trước. Vật lý, nó chứa trong nó những trừu tượng, cách mà con người nhìn nhận, đánh giá về thế giới xung quanh. Trong thế giới ấy, logic, toán học là những công cụ chiếm ưu thế. Nên vật lý đôi khi rất rất khó cảm nhận. Tuy nhiên cái khó đó có thể vượt qua một cách dễ dàng khi cách tiếp cận Vật lý bằng đầu óc ngây thơ kèm với tính hoài nghi! Tại sao phải ngây thơ, ngây thơ để bắt đầu chấp nhận lắng nghe; để không bị bất cứ thứ tâm lý vụng vặt nào cản trở, để có được sự trừu tượng cao nhất! Hoài nghi để luôn hỏi tại sao, để luôn luôn rõ ràng và chính xác!

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Ngọc Giao (2001), Hạt cơ bản, Giáo trình giảng dạy học viên sau đại học chuyên ngành vật lí lý thuyết, Trường đại học khoa học tự nhiên Tp. Hồ Chí Minh, Nhà xuất bản Đại học quốc gia.

[2] Nguyễn Ngọc Giao (2009), Hạt cơ bản và vũ trụ, NXB Giáo dục.

[3] TS. Phạm Duy Lác, nhập môn lý thuyết trường lượng tử

[4] Nobel Prize: http://vi.wikipedia.org/wiki/Gi%E1%BA%A3i_Nobel, accessed on August 5th, 2010.

[5] C.Csaki, Christophe Grojean, Hitoshi Murayama, Standard model Higgs boson from higher dimensional gauge jields, Phys.Rev D, 67, 085012, 2003.

[6] Cao Chi, nguyên lý mới trong vật lý lượng tử, Tia Sáng, số 4 - 20/02/2006.

[7] Mathieu Grousson, Boson de Higgs, et sil nexistait pas, Science & Vie, Janvier 2006

[8] Graham P.Collins, Chris Quigg, Barry Barish,Nicholas Walker & Hitoshi Yamamoto, The future of Physics, Scientific American số tháng 2/2008

[9] William B.Atwood, Peter F.Michelson & Steven Ritz, Window on the Extreme Universe, Scientific American, số tháng 12 /2007

[10] NASA (National Aeronautics and Space Administration - Cơ quan hàng không và vũ trụ Mỹ).

[11] Lawrence M.Krauss & Robert J.Scherrer, The end of cosmology, Scientific American tháng 3/ 2008

[12] Lawrence M. Krauss & and Robert J. Scherrer, The Return of a Static Universe and the End of Cosmology, Journal of General Relativity and Gravitation, Vol.39,No 10, October 2007.

[13] Richard Feynman - The Character of Physical Laws, MIT Press, 1965.

[14] Nature: Physics get political over Higgs, html , accessed on August 5th, 2010.

Ths. Trần Văn Thảo

Phòng KH & CN

SỞ GIÁO DỤC TÂY NINH
TRƯỜNG CAO ĐẲNG SƯ PHẠM

Tây Ninh, ngày 22 tháng 4 năm 2014