Tìm hiểu nhanh về Vật chất (Phần 7)

Chương 7

Các hạt sơ cấp

Toàn bộ các dạng phức của vật chất – các nucleon, nguyên tử, phân tử, sinh vật sống, các hành tinh, các sao, và vân vân – đều được làm từ một số lượng nhỏ những loại hạt khác nhau tương tác theo những cách khác nhau thông qua các lực của tự nhiên. Chính các lực đã gây ra vô số biến thể và nhiều hình thức của vật chất. Do đó, khi nói về vật chất, chúng ta buộc phải nói tới các lực. Có bốn lực cơ bản: hai lực tầm xa là lực hấp dẫn và lực điện từ, và hai lực tầm ngắn hoạt động bên trong hạt nhân, lực hạt nhân mạnh, và lực hạt nhân yếu. Lực mạnh liên kết bên trong hạt nhân, và lực yếu liên quan với những loại phóng xạ nhất định, và các quá trình sản sinh năng lượng trong các sao.

Vừa hơn một thế kỉ trước, thật hợp lí khi hình dung rằng các viên gạch cấu trúc tối hậu của vũ trụ là các nguyên tử. Vào năm 1932, nguyên tử của vật chất bình thường có thể được giải thích theo đúng ba loại hạt hạ nguyên tử: proton, neutron, và electron. Bức tranh xinh đẹp đơn giản này của các thành phần sơ cấp của vật chất không tồn tại được lâu. Khi ấy, vật chất bắt đầu được khảo sát ở các năng lượng cao hơn, và các phát triển lí thuyết về cơ lượng tử xảy ra đã làm thay đổi tận gốc rễ hiểu biết của chúng ta về thế giới vi mô.

Mặc dù phương trình Schrödinger mô tả thành công phần nhiều thế giới hạ nguyên tử, nhưng nó không mô tả được tính chất của các hạt chuyển động ở những tốc độ gần tốc độ ánh sáng. Thiếu sót này là quan trọng bởi lẽ, chẳng hạn, mặc dù tốc độ của electron trong trạng thái cơ bản của nguyên tử hydrogen chỉ vào khoảng 1/137 tốc độ ánh sáng và do đó không mang tính tương đối, nhưng điều này không đúng đối với các electron trong cùng nhất ở các nguyên tử nặng như vàng, trong đó tốc độ đạt tới một nửa tốc độ ánh sáng. (Con số 1/137,036… là một hằng số của tự nhiên, được gọi là hằng số cấu trúc tinh tế). Vì thế, vào năm 1928, nhà vật lí Anh Paul Dirac đã tìm cách làm cho thuyết lượng tử tương thích với thuyết tương đối hẹp.

Những nỗ lực đầu tiên thống nhất thuyết lượng tử với thuyết tương đối hẹp đã bị ngã ngựa với một vấn đề toán học. Trong các phương trình sóng cổ điển, không gian và thời gian được xem xét tách biệt, còn trong thuyết tương đối hẹp, chúng được dệt thành một kết cấu duy nhất: không-thời gian 4D. Dirac tìm thấy rằng ông có thể sát nhập thuyết tương đối hẹp bằng cách sử dụng các ma trận phân chia phương trình sóng thành bốn phần, đem lại phương trình Dirac nổi tiếng. Tính chất của spin electron xuất hiện tự nhiên từ lí thuyết đó, trực tiếp từ thuyết tương đối hẹp. Electron còn xuất hiện dưới dạng một hạt sơ cấp có kích cỡ zero. Hai trong bốn phần của phương trình thật dễ dàng lí giải: hai phần này tương ứng với electron quay theo chiều kim đồng hồ (up) hoặc ngược chiều kim đồng hồ (down). Nhưng câu đố đặt ra là: hai thành phần kia tương ứng với cái gì?

Phản vật chất

Trong thuyết tương đối hẹp, năng lượng E của một hệ xuất hiện trong các phương trình dưới dạng một đại lượng bình phương, tức là dưới dạng E². Vì căn bậc hai có thể nhận giá trị dương và âm, nên số nghiệm tăng gấp đôi. Giá trị âm của căn bậc hai hàm ý rằng một electron có năng lượng âm – một điều có vẻ như vô nghĩa. Dirac nhận ra rằng một electron tích điện âm với năng lượng âm có thể được giải thích là một electron tích điện dương với năng lượng dương. Quả vậy, ông đã chuyển dấu âm của năng lượng sang điện tích, làm biến đổi một electron âm thành một electron dương, hay positron, một hạt phản vật chất. Vật chất và phản vật chất là ảnh qua gương của nhau; dù cho một hạt làm gì thì hạt kia làm điều ngược lại. Chẳng hạn, nếu một electron quay theo chiều kim đồng, thì positron quay ngược chiều kim đồng hồ.

Positron có thật sự tồn tại không, hay nó chỉ là một thủ thuật toán học? Một vài năm sau dự đoán của Dirac, nhà vật lí Carl Anderson đang nghiên cứu các electron tia vũ trụ. Tia vũ trụ là các hạt năng lượng cao đến từ Mặt Trời và không gian bên ngoài và bắn phá Trái Đất. Anderson bố trí một detector buồng mây bên trong một nam châm mạnh để ghi lại đường đi của các tia vũ trụ. Khi một hạt tích điện đi qua một buồng mây, nó tạo ra một vệt ngưng tụ của những giọt chất lỏng nhỏ xíu phía sau nó, giống như vệt đuôi của máy bay phản lực bay trên tầng bình lưu. Khi một electron tích điện âm đi qua một từ trường, nó bị lệch hướng sang bên, luôn luôn theo cùng một chiều. Anderson quan sát thấy ngoài các electron, còn có các hạt cùng khối lượng với electron, nhưng mang điện dương, với chiều lệch ngược lại. Các positron của Dirac đã được tìm thấy.

Khi một electron và một positron gặp nhau, chúng hủy nhau, và biến đổi toàn bộ năng lượng khối lượng nghỉ của chúng, tổng cộng 1,022 MeV, thành một vụ nổ bức xạ gamma. Quá trình này là đối xứng. Nếu một photon tia gamma giàu năng lượng va chạm với một nguyên tử, thì từ trường mạnh xung quanh hạt nhân nguyên tử làm cho vật chất biến đổi trực tiếp từ năng lượng trong quá trình gọi là sinh cặp (Hình 27). Các cặp electron-positron mà Anderson quan sát thấy là các sự kiện sinh cặp.

Hình 27. Sinh cặp: vật chất và phản vật chất được tạo ra trực tiếp từ năng lượng của một photon. Một photon tia gamma đi vào từ phía trên, đi qua một hạt nhân nguyên tử, và sinh ra một electron (xoắn ốc sang trái), và một positron (xoắn ốc sang phải). Một electron nguyên tử giật lùi hiện ra xuống phía dưới.

Tất cả các hạt, chứ không riêng electron, đều có đối tác phản hạt, và chẳng mấy chốc thì những loại hạt khác đã được tìm thấy, luôn là một hạt trong một cặp, trong đó điện tích được bảo toàn chặt chẽ với giá trị bằng nhau và ngược dấu. Nếu một phản proton tích điện âm đi qua gần một proton, thì hai điện tích triệt tiêu để lại hai hạt trung hòa, một neutron, và một phản neutron. Phản nguyên tử đã được tạo ra là phản hydrogen, với một positron kết hợp với một phản proton. Ánh sáng phát ra từ một chuyển tiếp lượng tử ở phản hydrogen đã được quan sát thấy lần đầu tiên vào nămm 2017 và được tìm thấy có bước sóng y hệt với bước sóng của chuyển tiếp tương ứng ở hydrogen bình thường.

Các trường lượng tử và các lực

Trong thuyết lượng tử lúc mới ra đời, hạt chiếm khán đài trung tâm, và lí thuyết cung cấp nền tảng cần thiết để tính các trạng thái lượng tử của nó và các mức năng lượng gắn liền của nó. Tuy nhiên, cách tiếp cận này không thể giải thích cách các hạt được sinh ra hoặc phá hủy. Bước tiếp theo là phát triển cơ lượng tử thành một khuôn khổ khái quát hơn: Lí thuyết Trường Lượng tử (QFT). QFT nhấn mạnh vào các trường, và giả định rằng không gian tràn ngập bởi một số hạt đang tương tác và các trường lực, mỗi trường được đặc trưng bởi các trạng thái lượng tử của nó. Khái niệm cơ bản ở đây là các trạng thái của một trường lượng tử tràn ngập nơi nơi, trong đó các hạt (các lượng tử trường) là các thăng giáng. Y hệt như các photon là lượng tử trường của một trường điện từ lượng tử hóa, các electron là lượng tử trường của một trường lượng tử electron lượng tử hóa.

Lí thuyết trường lượng tử thành công đầu tiên được xây dựng là điện động lực học lượng tử (QED), nó mô tả tương tác của ánh sáng và vật chất. Thoạt đầu, nó vướng phải những khó khăn lí thuyết. Một trong những khó khăn thấy rõ nhất là tương tác của electron với trường điện từ của nó, cái gọi là năng lượng tự thân của electron. Lực điện Coulomb từ một electron (nguồn của trường) biến thiên tỉ lệ nghịch với khoảng cách bình phương. Vì thế, nếu electron có kích cỡ zero, thì lực điện phải vô cùng lớn ở vị trí của hạt (một chia cho khoảng cách zero bằng vô cùng). Năng lượng trong trường điện từ bao quanh mỗi electron, do đó, phải là vô hạn và, vì năng lượng và khối lượng là tương đương, khối lượng của electron cũng phải là vô hạn.

Các vô hạn chán ngắt ấy liên quan đến năng lượng tự thân của electron và sự phân cực của chân không. Để hình dung sự phân cực chân không, hãy hình dung việc cố tạo ra chân không hoàn hảo nhất, bằng cách loại hết các hạt ra khỏi một vùng không gian nào đó. Khi bạn làm thế, nguyên lí bất định Heisenberg nói rằng vẫn còn lại thứ gì đó. Cơ học lượng tử cho phép các hạt ảo thoắt ẩn thoắt hiện liên tục; chân không có một mật độ năng lượng hữu hạn. Cái gọi là không gian trống rỗng thật ra là một cái vạc hoạt động sôi sùng sục, tràn ngập một năng lượng gọi là năng lượng chân không. Điện trường xung quanh mỗi electron chứa cả một biển hạt ảo. Năng lượng tự thân của electron phát sinh từ sự tương tác của điện tích riêng, hay điện tích ‘trần’, của nó với các hạt này và vì thế tạo ra một mật độ năng lượng nữa. Tương tác này đem lại cho electron cái gọi là khối lượng điện từ của nó.

Nhà lí thuyết Hans Bethe đã chinh phục bài toán về các vô hạn bằng một thủ thuật toán học, gọi là tái chuẩn hóa, nó trừ một đại lượng vô hạn ra khỏi một vô hạn khác cho ra một đáp số hữu hạn. Bị một số người xem là không thỏa đáng, nhưng tái chuẩn hóa hoạt động tốt trên thực tế và đã cho phép QED được phát triển thành lí thuyết vật lí chính xác nhất mà chúng ta biết. Một trong những phép kiểm tra đầu tiên mà nó đối mặt là giải thích cái gọi là dịch chuyển Lamb. Willis Lamb đã quan sát thấy một trạng thái lượng tử đặc biệt của hydrogen bị phân tách thành hai mức năng lượng sít nhau. Dịch chuyển Lamb là do bởi sự tự tương tác của electron với trường của nó và không thể giải thích được bằng lí thuyết của Dirac. Sự phân tách đó được dự đoán cực kì chính xác trong lí thuyết hiện đại về QED, được phát triển vào năm 1947 bởi Richard Feynman, Julian Schwinger, và Shin’ichiro Tomonaga.

Các nhà vật lí còn nghiên cứu lực hạt nhân mạnh và yếu. Các lực hạt nhân khác với lực điện từ và lực hấp dẫn ở chỗ chúng hoạt động trên những cự li rất ngắn, khoảng dưới 10^-15 mét. Trên cấp độ kích cỡ một nguyên tử (10^-10 mét), các lực hạt nhân về cơ bản không tồn tại. Các lực hạt nhân giống như Velcro vậy: khi hai mảnh Velcro tiếp xúc thì chúng gắn chặt với nhau, còn khi chúng bị kéo ra thì chúng chẳng chịu lực nào nữa. Lực mạnh còn trung lập với điện tích; nó liên kết các proton tích điện dương và các neutron bên trong hạt nhân với nhau với cỡ lực như nhau. Hãy nhớ lại ở Chương 5 ví dụ tương đương về hai người trượt băng trao đổi một quả bóng nặng để minh họa cho bản chất vi mô của các lực. Ở lực tầm ngắn, hạt trung chuyển lực phải có khối lượng lớn và thời gian sống ngắn, theo yêu cầu của hình thức năng lượng-thời gian của nguyên lí bất định. Vào năm 1935, Hideki Yukawa đề xuất rằng lực mạnh liên quan đến sự trao đổi một hạt ảo gọi là pion. Khối lượng của một pion lưng chừng giữa khối lượng của một electron và một proton, và nó thuộc về một họ hạt gọi là meson (từ tiếng Hi Lạp nghĩa là ‘trung gian’). Các pion không bền và có thời gian sống ngắn bên trong hạt nhân; nhưng khi một hạt nhân bị va đập rất mạnh bởi một hạt khác, các pion có thể bị văng vào thế giới dưới dạng các hạt thật có thời gian sống ngắn. Các pion đoản thọ này đã được quan sát thấy vào năm 1947 trong các tương tác hạt tia vũ trụ. Mô hình pion cho lực mạnh là một lí thuyết gần đúng, và đã bị thay thế bởi lí thuyết quark, sẽ được mô tả ở phần bên dưới.

Lực hạt nhân yếu, hay chính xác hơn là tương tác yếu, có một đặc tính tinh vi hơn. Nó chịu trách nhiệm cho sự phóng xạ beta và còn giữ vai trò then chốt trong cách Mặt Trời bùng sáng. Một neutron đơn độc là không bền và sẽ phân hủy thành một proton và một electron trong chừng mười phút. Tuy nhiên, bên trong hạt nhân thì neutron bền hơn, nhưng nếu nguyên tử có tính phóng xạ thì một neutron có thể phân hủy thành một proton, làm thay đổi đặc điểm nhận dạng hóa học của nguyên tử sang nguyên tố cao tiếp theo trong bảng tuần hoàn. Quá trình phân rã beta này được đi kèm bởi sự phát xạ một electron năng lượng cao, hạt beta của sự phóng xạ. Khi phân rã beta lần đầu tiên được nghiên cứu, người ta tìm thấy các electron được ‘nhả ra’ khỏi hạt nhân với một quãng năng lượng liên tục, từ zero lên tới một giá trị cực đại. Điều này thật rắc rối, bởi nó có vẻ như định luật bảo toàn năng lượng và động lượng đang bị vi phạm.

Wolfgang Pauli đã đi tới lời giải đúng khi ông đề xuất rằng một hạt bí ẩn và chưa nhìn thấy, một neutrino (hay ‘tiểu neutron’) được phát ra cùng với electron đó, vì thế làm cân bằng năng lượng và động lượng. Trong phân rã beta, hạt được phát ra là một phản neutrino; trong quá trình ngược lại, phân rã beta nghịch, các proton biến đổi thành neutron bằng cách phát ra positron và neutrino. Các neutrino có khối lượng rất thấp, không mang điện tích, và có thể thâm nhập rất sâu vào vật chất. Mặt Trời và các sao sản sinh hàng nghìn tỉ neutrino mỗi giây, nhưng chúng tương tác quá yếu với vật chất bình thường nên một neutrino có thể đi xuyên qua một năm ánh sáng chì (mười nghìn tỉ kilo mét), và vẫn có xác suất 50:50 đập trúng một hạt nhân. Chúng ta không hề hay biết vô số neutrino đi qua cơ thể mình. Mỗi giây một tỉ neutrino xuyên qua đầu ngón tay của bạn, cả ngày lẫn đêm. Bản chất hay lãng tránh của neutrino khiến nó không được phát hiện, mãi cho đến năm 1957, trong các tương tác trong một lò phản ứng hạt nhân.

Từ mô tả của tương tác yếu, hẳn người ta sẽ nêu câu hỏi rất hợp lí: tại sao nó được xem là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên? Trên con đường tìm hiểu một thực tại vật lí sâu sắc hơn, các nhà vật lí thường tìm kiếm những phương diện khác nhau biểu kiến của tự nhiên nhưng lại có một nguyên nhân chung và vì thế là có thể thống nhất. Một ví dụ là sự thống nhất của Maxwell về điện trường và từ trường, như chúng ta đã thấy nó làm bộc lộ trường điện từ cơ bản hơn nữa. Một ví dụ khác là sự thống nhất của Dirac về thuyết tương đối hẹp với cơ lượng tử, đem lại dự đoán về phản vật chất. Một ví dụ thứ ba là sự thống nhất lực điện từ và lực hạt nhân yếu (tương tác điện yếu), được thiết lập vào năm 1967 bởi Sheldon Glashow, Steven Weinberg, và Abdus Salam. Nói ngắn gọn, lí thuyết của họ đề xuất rằng các hạt mang lực ở lực điện từ và lực hạt nhân yếu thật ra là giống nhau. Chúng chỉ xuất hiện khác nhau do bởi các boson mang lực (các hạt W và Z) có khối lượng trong tương tác yếu, còn trong lực điện từ thì hạt tương ứng, photon, là không khối lượng.

Lực hạt nhân yếu chỉ bằng khoảng 1/1000 cường độ của lực điện từ, nhưng hai lực có nhiều điểm chung. Để tìm hiểu chúng liên hệ với nhau như thế nào, hãy nhớ lại rằng lực điện từ tầm xa được mang bởi photon, hạt không khối lượng và không mang điện. Có thể so sánh hạt này với các hạt mang W và X của lực yếu, chúng có khối lượng khoảng 100 lần khối lượng proton, chừng bằng khối lượng một nguyên tử bạc. Hạt W có thể mang điện dương hoặc âm, và Z trung hòa điện. Khi một neutron trải qua phân rã phóng xạ beta, nó phát ra một boson tích điện, hạt W âm. Trong tương tác đó, neutron giật lùi để bảo toàn năng lượng và động lượng, và vì thế hạt W có tính chất then chốt của một hạt mang lực. Đặc tính của bốn lực cơ bản được tóm tắt trong Bảng 2.

Bảng 2. Đặc tính của bốn lực cơ bản.

Không giống như các lực khác của tự nhiên, W làm thay đổi đặc tính của một hạt. Khi một neutron biến đổi thành một proton, một đơn vị điện tích âm bị loại bỏ, và hạt W phát ra sau đó phân hủy thành một electron và một neutrino. Thời gian sống ngắn của W liên quan với khối lượng lớn của nó; nó là một boson nặng với tầm tác dụng hạn chế. Trong các tương tác điện từ, một photon ảo không mang điện, và nói cho chặt chẽ thì phải xem là nó hình thành một dòng trung hòa. Cái tương đương với dòng trung hòa trong tương tác yếu được mang bởi một boson trung hòa, hạt Z. Ba boson (W⁺, W^-, và Z⁰) được gọi là các boson vector trung gian. Vào năm 1983, các thí nghiệm tại máy gia tốc Super Proton Synchrotron tại CERN ở Geneva đã quan sát trực tiếp thấy các hạt W và Z⁰.

Thế nhưng vẫn còn thiếu cái gì đó – một hiểu biết về nguồn gốc của khối lượng. Lí thuyết trường lượng tử dự đoán rằng các hạt W và Z, giống như photon, phải là không khối lượng. Vậy làm thế nào các hạt W và Z có được khối lượng lớn của chúng? Một manh mối quan trọng đến từ một ý tưởng trong lí thuyết về vật chất ngưng tụ - hành trạng của các photon trong các chất siêu dẫn. Ở Chương 6 chúng ta đã thấy rằng chất siêu dẫn rất không dung thứ các từ trường ngoài (hiệu ứng Meissner), và cố đẩy chúng ra khỏi khối chất của chúng hoàn toàn bằng cách sinh ra các siêu dòng triệt tiêu chúng.

Tính chất này của chất siêu dẫn ứng với mọi từ trường, kể cả từ trường gắn liền các thăng giáng lượng tử của các photon ảo. Khi một photon ảo đi vào tồn tại bên trong một chất siêu dẫn, chất siêu dẫn phản ứng bằng cách tạo ra các siêu dòng cố triệt tiêu từ trường đang thăng giáng của photon. Do đó, từ trường của photon yếu đi, và cần có thêm năng lượng để duy trì các thăng giáng. Năng lượng bổ sung này gán lên khối lượng trên các photon ảo, gọi là khối lượng hiệu dụng. Các photon có được khối lượng bằng cách hiện diện bên trong một chất siêu dẫn.

Ý tưởng sáng giá này được nắm lấy để giải thích nguồn gốc khối lượng của các boson W và Z. Liệu toàn bộ không gian có thể tràn ngập một trường lượng tử chưa được nhận dạng mà, bằng cách tương tự với sự siêu dẫn, nó tương tác với các hạt sơ cấp để cấp cho chúng khối lượng hay không? Vào năm 1964, các nhà vật lí Peter Higgs, Robert Brout, và Francois Englert đã đề xuất một trường lượng tử như thế, trường Higgs, tràn ngập vũ trụ. Nếu đúng vậy, thì trên thực tế chúng ta đang sống bên trong một chất siêu dẫn vũ trụ. Theo lí thuyết này, toàn bộ các hạt sơ cấp đều không khối lượng cho đến khi chúng tương tác với trường Higgs bằng cái gọi là cơ chế Higgs. Một bức tranh vật lí thô của cơ chế này là các hạt có được khối lượng bởi ‘sự dính’ với trường như thể chúng đang cố chuyển động qua nước mật đường dày. Trường Higgs góp một mật độ năng lượng hữu hạn cho chân không và, do nó không có chiều ưu tiên trong không gian, là một trường vô hướng.

Cơ chế liên quan đến với sự thống nhất lực điện từ và tương tác yếu thông qua sự phá vỡ đối xứng tự phát. Hãy nhớ lại từ Chương 3 cách đối xứng bị phá vỡ khi một chất lỏng đông đặc, hoặc khi nhiệt độ của một miếng sắt giảm xuống dưới nhiệt độ Curie và trở thành một nam châm. Ở những nhiệt độ và năng lượng rất cao, các hạt W và Z không tương tác với trường Higgs, khiến chúng không khối lượng, giống như photon. Nhưng ở nhiệt độ thấp, đối xứng bị phá vỡ, và các hạt W và Z tương tác với trường Higgs, từ đó chúng có được khối lượng của chúng. Trong tương tác điện yếu, thuật ngữ năng lượng ‘cao’ và ‘thấp’ liên quan đến một năng lượng tối hạn chừng 100 GeV, năng lượng xác định cấp độ của lực điện yếu.

Hạt lượng tử của trường Higgs là boson Higgs. Việc tìm kiếm hạt nổi tiếng bị săn lùng này là một mục tiêu chủ chốt của các thí nghiệm đã khởi động hồi năm 2013 trong Máy Va chạm Hạt nặng Lớn (LHC) của CERN. Các thí nghiệm cho các chùm proton va chạm với nhau với năng lượng kết hợp 8 nghìn tỉ electron volt (8 TeV, hay 8 ´ 10¹² eV). Các va chạm này đập vào trường Higgs rất mạnh, và làm cho nó dao động và sinh ra một lượng tử của kích thích trường: boson Higgs. Khối lượng đo được của hạt (125 GeV/c²) phù hợp với thời gian sống rất ngắn khoảng 10^-22 giây. Hạt Higgs không được quan sát trực tiếp, mà sự tồn tại của nó được suy luận rõ ràng từ các hạt mà sau đó nó phân hủy thành.

Quark

Để nghiên cứu những hạt nhỏ nhất của vật chất, cần có một chiếc kính hiển vi rất mạnh. Nếu vật thể nghiên cứu nhỏ hơn một hạt nhân thì chúng phải được khảo sát bằng các hạt năng lượng cao, bước sóng rất ngắn. Các máy gia tốc hạt năng lượng cao là những chiếc kính hiển vi của thế giới hạ nguyên tử; máy gia tốc càng lớn và càng mạnh, thì kính hiển vi đó càng mạnh.

Từ thập niên 1940 đến 1960, nhiều trăm loại hạt hạ nguyên tử mới đã hiện thân trong các thí nghiệm máy gia tốc. Trong các thí nghiệm này, người ta cho các proton năng lượng cao đập vào bia, sinh ra hỗ lốn hạt không bền. Tình trạng không phải không giống hồi một thế kỉ trước đó, khi các nhà hóa học đối mặt trước số lượng lớn khủng khiếp các nguyên tố hóa học với các đặc tính khác nhau. Việc cố gắng nắm bắt các hạt, như lời Richard Feynman nói, ‘tựa như việc tìm hiểu cái đồng hồ bỏ túi bằng cách cho hai cái đồng hồ lao sầm vào nhau rồi quan sát từng mảnh vụn văng ra’. Vào năm 1954, quá nhiều hạt được tìm thấy đến mức Fermi càm ràm, ‘Nếu tôi mà nhớ nổi hết tên của những hạt này, thì hẳn tôi là một nhà thực vật học rồi.’

Các hạt hạ nguyên tử thuộc về hai gia đình hạt đông đúc: hadron và lepton. Hadron (từ tiếng Hi Lạp có nghĩa là ‘chắc’) có một gia đình giống với proton và neutron ở chỗ chúng chịu lực hạt nhân mạnh, tương tác yếu, và lực điện từ. Các thành viên nhẹ nhất là proton và neutron, nhưng đa số hadron có khối lượng lớn hơn nhiều, và ở trong các trạng thái kích thích với năng lượng nội tại cao và thời gian sống ngắn. Gia đình hadron được chia nhỏ thành hai loại nữa, baryon và meson. Từ baryon có nghĩa là ‘nặng’. Lepton (từ tiếng Hi Lạp có nghĩa là ‘mỏng’, hoặc ‘nhỏ’) là các hạt như electron và neutrino, và chỉ chịu lực yếu và lực điện từ.

Các nhà vật lí đã săm soi mớ dữ liệu trong vườn thú hadron, tìm kiếm các kiểu hình có thể bộc lộ một sự phân loại cho thế giới hạ nguyên tử kiểu như bảng tuần hoàn của Mendeleev cho các nguyên tố. Vào năm 1964, Murray Gell-Mann và George Zweig thật sự đã tìm thấy các kiểu hình trong mớ hỗ lốn hadron, và kết luận rằng tất cả các hạt đó có thể được xây dựng bởi các quark, các hạt sơ cấp với điện tích phân số. Gell-Mann chọn tên gọi ‘quark’ từ một dòng trong quyển tiểu thuyết Finnegans Wake của James Joyce: ‘Ba quark cho ngài Mark.’

Vật chất bình thường được làm từ hai loại quark: quark ‘lên’ (u, khối lượng 2,3 MeV/c²), và quark ‘xuống’ (d, khối lượng 4,8 MeV/c²). Mỗi loại mang một điện tích phân số khác nhau; quark lên mang +2/3 điện tích electron, còn quark xuống mang –1/3 điện tích electron. Các baryon được làm từ ba quark, và các meson được làm từ một cặp quark-phản quark. Mỗi proton (Hình 28) có thể được hình dung là một quả cầu tí hon, đường kính chừng 10^-15 mét, chứa ba quark: (u, u, d) cho nó điện tích toàn phần +1 đơn vị. Neutron tương tự vậy, nhưng có các quark (u, d, d) cho nó điện tích zero. Các quark chuyển động bên trong nucleon ở gần bằng tốc độ ánh sáng, phản xạ lên nhau và lên thành chứa. Toàn bộ các hadron trong vườn bách thú hạt dường như đều giải thích được bằng các trạng thái liên kết khác nhau của các quark. Phải chăng đây chỉ là một cách khéo léo tổ chức vườn bách thú hadron, hay các quark thật sự tồn tại?

Hình 28. Baryon nhẹ nhất, proton, được làm từ ba quark, hai ‘up’ (tích màu ‘lam’ và ‘đỏ’) và một ‘down’ (tích màu ‘lục’). Cả ba màu phải có mặt, làm cho hạt không màu.

Bằng chứng có tính quyết định cho sự tồn tại của các quark đến từ một loạt thí nghiệm ‘tán xạ sâu electron’ được thực hiện vào những năm 1960 và 1970 bởi Jerome Friedman, Henry Kendall, và Richard Taylor. Họ sử dụng Máy gia tốc Thẳng Stanford (SLAC) dài 3 km để bắn phá proton bằng đạn electron có tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Họ thấy các electron tán xạ khỏi những vật thể tí hon dạng hạt chuyển động rất nhanh bên trong proton. Những vật thể tí hon này là các quark đã được tìm kiếm bấy lâu.

Chẳng mấy chốc, những biến thể nặng hơn khác của quark được tìm thấy, xuất hiện dưới dạng các ‘mùi’ khác nhau, biểu thị các tính chất đối xứng của chúng. Có quark duyên (c, charm) với khối lượng 1,3 GeV/c², quark lạ (s, strange) với khối lượng 0,95 GeV/c², và quark đáy (b, bottom) với khối lượng 4,2 GeV/c². Vào năm 1995, một quark nặng hơn nữa, quark đỉnh (t, top) 180 GeV/c² được tìm thấy, sử dụng cỗ máy va chạm năng lượng cao tại Fermilab. Các quark nặng không bền nhanh chóng phân hủy sang các trạng thái khối lượng thấp hơn. Có sáu loại quark, và tất cả đều là fermion spin ½. Trong chừng mực mà chúng ta biết, các quark là những hạt sơ cấp tối hậu của vật chất.

Sắc động lực học lượng tử (QCD)

Cần có một lực rất mạnh để liên kết ba quark rất giàu năng lượng với nhau trong một hadron. Các hạt lực trói buộc các quark với nhau được gọi là gluon. Thế nhưng làm thế nào ba fermion spin ½ có thể đồng thời tồn tại trong một nucleon, vi phạm rõ rệt nguyên lí loại trừ Pauli như thế? Hóa ra thì các quark và gluon mang một kiểu tích khác gọi là tích màu, đó là một số đo độ lớn mà các hạt tương tác thông qua lực mạnh. Không giống như tích điện từ, vốn gồm hai loại, dương và âm, tích màu xuất hiện ở ba biến thể: đỏ, lục, và lam. Lực màu gắn liền với chúng là lực cơ bản của tương tác mạnh. Như trong lực điện từ, tích màu là một đại lượng được bảo toàn nghiêm ngặt. Điều quan trọng nên hiểu cho đúng là các tên gọi màu chỉ là nhãn mác thôi, chứ không biểu thị bất kì thứ gì mà chúng ta ghi nhận là màu sắc trong thế giới quen thuộc cả. Nhãn mác như thế chỉ để giúp chúng ta phân biệt giữa các trạng thái lượng tử khác nhau và nhận ra rằng, nói ví dụ, một quark lên lam là khác với một quark lên lục. Điều này nghe có vẻ hơi nhập nhằng, nhưng quy tắc lượng tử then chốt là các quark chỉ tạo ra các kết hợp không màu. Trong một hadron, cả ba màu phải có mặt. Các meson tự động không màu bởi lẽ các tích màu và phản màu triệt tiêu nhau trong các cặp quark-phản quark. Phức tạp hơn nữa, các quark còn có thể đổi màu. Bản thân các gluon có màu và vì thế có thể truyền tích màu từ quark này sang quark khác.

Một trong những đặc điểm nổi bật nhất của các quark là chúng không bao giờ được tìm thấy đơn độc. ‘Nguyên lí cầm tù’ liên quan với cách các quark tương tác với trường gluon bên trong mỗi hadron và giữ cho chúng liên kết chặt ở bên trong. Khái niệm ‘buộc chặt’ các thứ với nhau đặc biệt thích hợp cho các quark bởi lẽ quy tắc lực giữa các quark hành xử như thể chúng được gắn kết bằng những sợi dây đàn hồi. Nếu bạn kéo dãn một sợi dây đàn hồi, thì lực cần thiết tăng lên khi sợi dây càng bị dãn. Còn nếu không có lực tác dụng, thì dây đàn hồi chùng lại. Quy tắc lực giữa các quark hành xử chính xác theo kiểu ngược lại với quy tắc nghịch đảo bình phương của lực hấp dẫn hay lực điện từ: lực giữa các quark tăng khi chúng càng ở xa nhau!

Tương tác giữa các tích màu được mô tả trong một lí thuyết trường lượng tử, sắc động lực học lượng tử, hay QCD, được xây dựng bởi David Gross, Frank Wilczek, và David Politzer. QCD khác với QED ở một mặt then chốt. Ở lực điện từ, hai photon không mang điện có thể tự do đi qua nhau, phớt lờ sự tồn tại của nhau. Sóng vô tuyến trong không khí tràn ngập các tín hiệu điện từ phát ra từ nhiều đài phát thanh và truyền hình cùng với tín hiệu điện thoại di động, toàn bộ cứ đi qua nhau và chồng chất mà không ảnh hưởng gì nhau. Còn các gluon mang tích màu, nghĩa là chúng tương tác mạnh với nhau, một đặc điểm có những hệ quả lớn. Nếu bạn đập một quark bên trong một nucleon đủ mạnh thì nó có thể ló ra một đoạn nhỏ vào thế giới bên ngoài, nhưng nó vẫn kết nối với hai quark còn lại thông qua lực màu, loại lực chúng ta đã nói là nó hành xử giống như một miếng đàn hồi mạnh. Quark ló ra càng nhiều, thì lực hút nó trở lại càng mạnh, và, để kéo nó ra thêm, cần có năng lượng lớn hơn. Cuối cùng khi cung quá nhiều năng lượng thì tính đàn hồi biến mất. Khi điều này xảy ra, toàn bộ năng lượng dự trữ trong ‘sự đàn hồi kéo dãn’ của trường màu biến đổi thành vật chất và phản vật chất, và một cặp quark-phản quark ra đời. Những chuỗi gồm các cặp quark-phản quark thường được tạo ra trong các thí nghiệm máy gia tốc hạt, và được gọi là các vòi hạt.

Mô hình Chuẩn

Mô hình Chuẩn của Vật lí Hạt (Hình 29) là một trong những thành tựu rực rỡ của khoa học, và là kết tinh của nhiều thập niên công sức của vô số nhà khoa học. Mô hình đã được xác thực tốt bằng thí nghiệm, và mang lại toàn bộ các hạt lực và vật chất sơ cấp mà chúng ta biết. Nền tảng xây dựng nên mô hình chuẩn là QED, tương tác điện yếu, và QCD. Toàn bộ hạt sơ cấp cần thiết để xây dựng vật chất bình thường là đây: từ các quark, đến các hạt nhân, đến nguyên tử, đến hóa học, đến sự sống, toàn bộ lên tới vũ trụ khả kiến. Lực hấp dẫn không được bao gộp trong mô hình do hiện nay chưa có lí thuyết thành công về hấp dẫn lượng tử.

Hình 29. Mô hình Chuẩn của vật lí hạt, tổng hợp kiến thức của chúng ta về các hạt vật chất và lực cơ sơ cấp từ đó cấu tạo nên vũ trụ.

Các hạt vật chất, fermion, được thể hiện ở bên trái, và các hạt lực, boson, ở bên phải, cùng với boson Higgs ở giữa. Mỗi fermion có một song sinh phản vật chất không được thể hiện ở đây. Toàn bộ vật chất của thế giới hằng ngày được xây dựng từ đúng ba hạt vật chất chiếm giữ cột bên trái: quark lên và quark xuống, và electron cùng với neutrino của nó. Di chuyển một cột sang phải, kiểu hình cơ bản lặp lại, nhưng lần này nó chứa quark duyên và quark lạ và muon (m) cùng neutrino của nó; cột này được gọi là thế hệ thứ hai. Các hạt thế hệ thứ hai nặng hơn các hạt ở thế hệ đầu, và kém bền hơn. Kiểu hình lặp lại thêm một lần nữa, làm nên một thế hệ thứ ba gồm các hạt nặng hơn nữa và kém bền hơn nữa, gồm quark đỉnh và quark đáy, lepton tau (τ), cùng neutrino của nó. Tính cả thảy, mô hình chuẩn chứa mười hai hạt vật chất, bị chi phối bởi ba lực do sự trao đổi bốn hạt mang lực: photon (γ), gluon (g), boson W và boson Z.

Trong câu chuyện của chúng ta về vật chất, hiểu theo một nghĩa nào đó, chúng ta đã đi tới đích đến của mình: một quan điểm Democritus đích thực về thế giới theo những viên gạch cấu trúc cơ bản: các hạt sơ cấp có kích cỡ zero. Con dao cắt mảnh vật chất ra thành những mảnh càng lúc càng nhỏ hơn, trong chừng mực mà chúng ta có thể thấy được, đã không còn cắt tiếp được nữa. Nếu các hạt sơ cấp thật sự là các điểm không kích thước, tương tác thông qua các lực của tự nhiên, thì chúng ta đã đi tới một bức tranh đáng chú ý trong đó vật chất là trống rỗng, và chính bốn tương tác đã đem lại cho nó hình dạng và hình thức. Thế nhưng rút kinh nghiệm từ lịch sử, chúng ta không nên phán chắc rằng chúng ta đã có hết mọi câu trả lời. Đã nhiều lần các nhà khoa học tin rằng cuối cùng họ đã đạt tới bức tranh tối hậu, nhưng rồi họ chỉ thấy rằng tự nhiên còn vi tế hơn họ nghĩ và ẩn bên dưới vẫn còn một thực tại sâu sắc hơn.

Mặc dù Mô hình Chuẩn hiện nay là lí thuyết đã được kiểm tra tốt nhất và toàn diện nhất về những thành phần cơ bản của vật chất, nhưng vẫn còn đó nhiều bí ẩn và thiếu sót nổi cộm. Chúng ta vừa lưu ý sự vắng mặt của lực hấp dẫn trong bức tranh trên. Nếu bạn thả rơi một quả táo, nó sẽ rơi trong trường hấp dẫn của Trái Đất. Vì thế, vật chất thật sự tương tác với lực hấp dẫn, nhưng không có chỗ nào trong Mô hình Chuẩn giải thích điều này. Chúng ta biết rằng trường hấp dẫn lan truyền các dao động, vì sóng hấp dẫn đã được phát hiện từ các sự kiện dữ dội trong vũ trụ. Hạt mang lực như dự đoán của trường hấp dẫn là graviton, nhưng cho đến nay hạt này chưa được phát hiện. Ngoài ra, chúng ta không biết vì sao lại có mười hai hạt vật chất, nhóm lại thành ba thế hệ. Chúng ta cũng chẳng biết vì sao các quark và lepton khác nhau, và tại sao fermion và boson khác nhau. Hồi thập niên 1970, một lí thuyết, gọi là siêu đối xứng, hay viết tắt là SUSY, đã được xây dựng vốn nhằm kết nối vật chất và lực bằng cách đề xuất rằng mỗi hạt trong Mô hình Chuẩn có một đối tác siêu đối xứng, hay một siêu đối hạt. Ứng với mỗi fermion, có một boson SUSY và ngược lại, làm tăng gấp đôi số lượng hạt. Mặc dù siêu đối xứng giải thích được trên lí thuyết sự khác biệt giữa các hạt vật chất và lực, nhưng vấn đề là ở chỗ nếu các hạt siêu đối xứng thật sự tồn tại, thì hẳn chúng đã được quan sát thấy trong LHC; nhưng cho đến nay, chưa có dấu hiệu nào của chúng cả.

Còn những vấn đề khác nữa. Người ta tin rằng khối lượng của các hạt sơ cấp được tin là từ cách các quark và lepton và các hạt W và Z tương tác với trường Higgs. Chúng ta không hiểu tại sao các hạt này lại tương tác theo cách như vậy để đem lại cho chúng những khối lượng khác nhau. Khi xét đến nguồn gốc của khối lượng, điều dễ thấy là hãy còn nhiều thứ để khám phá. Ngoài ra, có bằng chứng cho thấy lượng vật chất trong vũ trụ lớn hơn nhiều so với lượng có thể được giải thích theo mô hình chuẩn. Đây là cái gọi là vật chất tối và năng lượng tối mà chúng ta sẽ thảo luận ở Chương 9.

Nguồn gốc của khối lượng

Một trong những câu hỏi căn bản nhất về vật chất bình thường là: khối lượng của nó từ đâu mà có? Câu hỏi này khác với câu hỏi khối lượng của các hạt sơ cấp có nguồn gốc từ đâu, vấn đề chúng ta vừa mới bàn luận xong. Chúng ta biết rằng 99,9 phần trăm khối lượng của các nguyên tử cư trú trong hạt nhân của chúng. Các nucleon được làm từ quark, chúng tương tác thông qua các lực màu yếu trong trường gluon. Quark và các hạt khác có khối lượng của chúng thông qua tương tác với trường Higgs. Ta có thể hỏi: vậy ba quark đóng góp bao nhiêu khối lượng cho khối lượng của mỗi proton?

Một proton có khối lượng nghỉ 938,28 MeV/c². Một quark lên được ước tính có khối lượng khoảng 2,3 MeV/c², và một quark xuống có khối lượng khoảng 4,8 MeV/c². Với ba quark thì tổng khối lượng là 9,4 MeV/c². Nhưng đây mới là khoảng 1 một phần trăm khối lượng của proton! 99 phần trăm còn lại của khối lượng nằm ở đâu? Câu trả lời đến từ việc áp dụng công thức Einstein: m = E/c², cho chúng ta biết rằng: ở đâu có năng lượng, ở đó có khối lượng. Hóa ra thì 99 phần trăm còn lại của khối lượng mỗi proton hay neutron là tương đương khối lượng của năng lượng của trường màu gluon và động năng của các quark. Đây là nguồn gốc của phần lớn khối lượng của vật chất bình thường – đó là năng lượng thuần túy.

Trong chương này chúng ta đã nhìn vào bức tranh chiều sâu của vật chất – bóc trần từng lớp vỏ củ hành của nó để lộ ra những hạt sơ cấp nhất nhỏ nhất làm nên vật chất. Chỉ một nhúm hạt sơ cấp cấu tạo nên thế giới: quark, lepton, và các hạt lực, chúng có mặt trong Mô hình Chuẩn của Vật lí Hạt. Các hạt này là các lượng tử trường của một vài trường lượng tử. Các hạt sơ cấp có khối lượng của chúng bằng cách tương tác với trường Higgs tràn ngập vũ trụ, còn nguồn gốc chính của khối lượng của vật chất bình thường là đến từ năng lượng của các trường quark và gluon bên trong các nucleon.

Mô hình Chuẩn là một thành tựu đỉnh cao của khoa học, nhưng nó chưa hoàn chỉnh. Trong Chương 9, chúng ta sẽ nhìn vào hai mảnh bí ẩn và còn thiếu của câu đố ghép hình này: vật chất tối và năng lượng tối. Nhưng trước khi đó, chúng ta hãy thiết lập vũ đài cho những cấp độ rất lớn của vật chất, bằng cách lần theo lịch sử hóa học của vũ trụ trong 13,8 tỉ năm kể từ Vụ Nổ Lớn (Big Bang).

TÌM HIỂU NHANH VỀ VẬT CHẤT

Geoff Cottrell (Oxford University Press 2019)
Bản dịch của Thuvienvatly.com

MỤC LỤC

1 Vật chất là gì?

2 Nguyên tử

3 Các dạng vật chất

4 Năng lượng, khối lượng, và ánh sáng

5 Thế giới lượng tử của nguyên tử

6 Vật chất lượng tử

7 Các hạt sơ cấp

8 Các nguyên tố từ đâu mà có?

9 Vật chất tối và năng lượng tối

TẢI EBOOK >>