Hạt Higgs
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Trong vài thập kỷ qua, giới vật lý hạt đã xây dựng được một mô hình lý thuyết chuẩn, tạo nên bộ khung về kiến thức các hạt và 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 phân tử. Trường này có tên gọi là trường Higgs. Là hệ quả của đối ngẫu sóng-hạt, 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 Higgs boson, boson Higgs, theo tên của nhà vật lý Peter Higgs.
Vì trường Higgs chịu trách nhiệm về khối lượng, việc các hạt cơ bản có khối lượng được nhiều nhà vật lý coi như một dấu hiệu cho thấy sự tồn tại của trường Higgs. Giả sử hạt Higgs tồn tại, chúng ta có thể suy luận được ra khối lượng của nó dựa trên tác động mà nó tạo ra đối với thuộc tính của các hạt và trường khác. Tuy nhiên, việc hạt Higgs có tồn tại hay không vẫn là điều nhiều người tranh cãi.
[sửa] Ý tưởng cho sự tồn tại của hạt Higgs
Khi đặt chân lên bàn cân, bạn có thể hy vọng rằng cân sẽ chỉ một con số nhỏ hơn đối với ngày hôm trước, bạn mong rằng... mình đang giảm cân. Số chỉ trên bàn cân đó chính là khối lượng của bạn dưới tác dụng của lực hấp dẫn xác định lên trọng lượng của bạn. Nhưng cái gì xác định cho khối lượng của bạn đây?
Đó là một trong những câu hỏi được hỏi nhiều và mong chờ có lời giải thích trong vật lý ngày nay. Rất nhiều thí nghiệm thuộc lĩnh vực vật lý hạt nhân trên thế giới đang tìm kiếm bộ máy (mechanism) tạo ra khối lượng. Các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm hạt nhân CERN ở Geneva cũng như tại Fermilab ở Illinois đang hy vọng tìm kiếm được cái họ gọi là "Higgs boson". Họ tin tưởng rằng nó là một hạt, cũng có thể là một tập hợp hạt mà chúng có thể tạo ra những hạt có khối lượng khác.
Ý tưởng về một hạt tạo ra một khối lượng khác quả là một điều phi trực quan... Phải chăng khối lượng không là một đặc tính cố hữu của vật chất? Nếu không thì làm sao lại có thể tồn tại một thực thể ở đó nó truyền khối lượng vào một thực thể khác bằng cách luân chuyển và bằng cách tương tác với chúng?
Một ví dụ có thể giúp bạn hiểu được sự hoạt động của "nguyên lý" này đó là bạn hãy tưởng tượng mình tới dự một bữa tiệc. Với đám đông các khách mời, phân bố chật kín hội trường. Khi một ngôi sao điện ảnh bước vào, đám đông ở cửa vây quanh và bám lấy anh ta. Anh ta thu hút những người gần nhất và di chuyển vào trong. Bằng việc kéo theo một đám đông xung quanh, anh ta đã làm tăng động lượng, một dấu hiệu của khối lượng. Anh ta khó khăn mới có thể thoát ra khỏi đám đông ấy, và càng khó hơn để có thể trở lại chỗ ban đầu.
Ảnh hướng của nhóm (đám đông vây quanh) chính là bộ máy Higgs, được đưa ra bởi nhà vật lý người Anh Peter Higgs vào những năm 1960. Lý thuyết đưa ra giả thuyết cho rằng có một dạng lưới biểu trưng cho trường Higgs phủ đầy vũ trụ. Giống như trường điện từ, nó có ảnh hưởng tới những hạt di chuyển xuyên qua nó, nhưng nó cũng liên hệ với vật lý chất rắn. Các nhà khoa học biết rằng khi một electron đi qua một mạng tinh thể nguyên tử điện tích dương, khối lượng của electron có thể tăng lên gấp 40 lần. Điều này cũng có thể đúng với trường Higgs, khi một hạt di chuyển trong nó, nó sẽ bị bóp méo một chút - giống như đám đông vây quanh ngôi sao điện ảnh ở bữa tiệc - và truyền khối lượng cho hạt.
Câu hỏi về khối lượng là một vấn đề hóc búa, dẫn đến việc tồn tại hạt Higgs boson để phủ kín khoảng trống còn xót trong Mô Hình Chuẩn. Mô Hình Chuẩn miêu tả 3 trong 4 lưc của tự nhiên: lực điện từ, lực tương tác mạnh, và lực tương tác yếu. Lực điện từ đã được biết một cách cặn kẽ trong nhiều thập kỷ qua. Hiện tại, các nhà vật lý dồn sự quan tâm sang lực hạt nhân mạnh, cái bó những phần của hạt nhân nguyên tử lại với nhau, và lực hạt nhân yếu, cái chi phối khả năng phóng xạ cũng như phản ứng hidro (hydrogen fusion), một phản ứng quan trọng tạo ra năng lượng mặt trời.
Điện từ học miêu tả sự tương tác giữa các hạt và photon, hình thành những gợn (packet) nhỏ của bức xạ điện từ. Tương tự, lực hạt nhân yếu miêu tả sao hai thực thể khác, hạt W boson và Z boson tương tác với các electron, quark, neutron... Có một sự khác nhau rõ ràng giữa hai tương tác này: photon không có khối lượng, trong khi khối lượng của W và Z lại khá lớn (khoảng 100 lần so với khối lượng của proton). Trong thực tế chúng là một trong những hạt có khối lượng lớn nhất từng biết.
Khuynh hướng đầu tiên là giả sử rằng W và Z dễ dàng tồn tại và tương tác với những hạt cơ bản khác. Nhưng trên cơ sở toán học, khối lượng lớn của W và Z mang đến sự mâu thuẫn trong Mô Hình Chuẩn. Để giải thích cho điều này, các nhà vậy lý cho rằng phải có ít nhất một hạt khác - đó là Higgs boson.
Những lý thuyết đơn giản nhất dự đoán rằng có một boson, nhưng những lý thuyết khác lại cho rằng có một số. Trong thực tế, quá trình tìm kiếm hạt Higg là một trong những sự việc hào hứng nhất trong nghiên cứu, bởi vì nó có thể dẫn đến những khám phá mới, hoàn chỉnh vật lý hạt. Một số nhà lý thuyết nói rằng nó có thể mang ánh sáng đến cho toàn bộ những dạng tương tác mạnh mới, và số khác tin tương rằng việc nghiên cứu sẽ khám phá ra một vật lý cơ bản đối xứng mang tên "siêu đối xứng".
Trước hết, các nhà khoa học muốn xác định phải chăng Higg boson thực sự tồn tại? Quá trình tìm kiếm đã bắt đầu từ hơn 10 năm trước, tại cả hai phòng nghiên cứu CERN tại Geneva và Fermilab ở Illinois. Để tìm kiếm các hạt này, các nhà nghiên cứu phải phá vỡ (smash) những hạt khác với nhau ở vận tốc cực lớn. Nếu năng lượng từ sự va chạm này đủ lớn, nó có thể chuyển sang những hạt vật chất nhỏ hơn - có thể là Higgs boson. Những hạt này chỉ tồn tại ở một thời gian ngắn, sau đó tan rã (decay) sang các hạt khác. Vì thế, để chứng minh cho sự xuất hiện của hạt Higgs trong sự va chạm, các nhà nghiên cứu phải tìm được bằng chứng dựa vào các hạt nó sẽ tan rã ra.
[sửa] Manh mối tìm ra hạt Higgs
Gần đây, Peter Renton, nhà vật lý hạt thuộc Đại Học Oxford, vừa 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 nghiền nguyên tử ở Thuỵ Sỹ. Nếu phát hiện của Renton là chính xác thì khối lượng của Higgs boson được xác định ở vào khoảng 115 gigaelectronvolt.
Niềm tin của Renton bắt đầu từ một tín hiệu do máy va đập positron-electron lớn (LEP hay Large Electron Positron collider) ở Geneva (Thụy Sỹ) tạo ra. Đến giờ phút này, cỗ máy đó đã bị tháo rời ra để thay thế bằng một cỗ máy khác - máy va đập hadron lớn (LHC hay Large Hadron Collider). Tuy nhiên, có 9% khả năng là tín hiệu này được tạo ra từ "tiếng động" nền. Trước khi máy gia tốc LEP chính thức ngừng hoạt động, các nhà vật lý học đã dùng nó để phóng electron và positron về các hướng đối nghịch quanh đường ống tròn có chu vi khoảng 27 km. Khi các hạt này đập vào nhau chúng tạo ra một nguồn năng lượng rất lớn. Bản thân các vụ va chạm như thế quá nhỏ để phục vụ cho công tác nghiên cứu, nhưng những hạt mới nặng hơn có thể xuất hiện sau va chạm.
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 đập, phù hợp với con số 115 gigaelectronvolt - khối lượng của hạt Higgs.
Các nhà vật lý đã quan sát 16 hạt hình thành tất cả mọi vật chất theo mô hình chuẩn dành cho hạt và tương tác cơ bản. Tuy nhiên, nếu chỉ nghiên cứu riêng các hạt này thì mô hình chuẩn tỏ ra không đúng lắm. Bởi nếu chỉ có 16 hạt trên tồn tại chúng sẽ không có khối lượng, ngược với những gì chúng ta biết về tự nhiên. Chắc chắn phải có một loại hạt khác cung cấp khối lượng cho chúng - đấy chính là hạt Higgs.
Theo nhóm nghiên cứu của Peter Higgs, tất cả mọi hạt lấy khối lượng của chúng thông qua tương tác với một trường phổ biến (trường Higgs), do hạt Higgs mang theo. Tầm quan trọng của hạt Higgs trong mô hình chuẩn đã khiến cho một số nhà vật lý học phải gọi nó là "hạt Chúa". Tiến sĩ Renton hy vọng khi máy va đập hadron lớn lắp đặt xong và được vận hành vào năm 2007, ông sẽ phát hiện ra hạt Higgs trong thời gian một hay hai năm.
