Hạt Higgs Và Mô Hình Chuẩn

Vào ngày 4 tháng 7 năm 2012, Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Âu châu (CERN) đã công bố rộng rãi trên các phương tiện thông tin đại chúng khám phá về một loại hạt cơ bản mới. CERN là trung tâm nghiên cứu sở hữu hệ thống máy gia tốc hạt có năng lượng và kích thước lớn nhất thế giới. Tầm quan trọng của khám phá này được thể hiện ở hai điểm: thứ nhất, hạt cơ bản mới này chính là liên kết chủ yếu còn thiếu trong bức tranh thế giới hạ nguyên tử (gọi là Mô hình Chuẩn) được vẽ từ 35 năm trước, vào những năm 1970; thứ hai, việc khám phá ra loại hạt này là phần thưởng xứng đáng cho ba mươi năm lao động vất vả và tận tụy của hàng ngàn nhà khoa học, nhà vật lí, kĩ sư và kĩ thuật viên.

Tìm kiếm boson Higgs – loại hạt đã được tìm kiếm từ lâu – là một cuộc phiêu lưu kì thú của khoa học đương đại. Vẻ đẹp và sự tao nhã của Mô hình Chuẩn, sự tinh vi và phức tạp đáng kinh ngạc của những công cụ làm nên khám phá khiến người ta phải ngưỡng mộ. Câu chuyện này là một ví dụ tuyệt vời cho thế hệ trẻ Việt Nam về sự quyết tâm, tinh thần sáng tạo, tinh thần hợp tác mà cộng đồng các nhà khoa học quốc tế đã cống hiến cho khoa học và tri thức. Đó cũng là một ví dụ về sự nghiêm túc tri thức và đạo đức, tất cả các phẩm chất cần thiết cho sự phát triển của khoa học.

Vật lí hạt là một trong những ngành tiên phong nhất của khoa học. Có thể kể ra một vài ngành tương tự như vật lí thiên văn, di truyền học và thần kinh học. Phương pháp nghiên cứu của chúng có thể khác nhau, ví dụ phương pháp của vật lí hạt và vật lí thiên văn đòi hỏi việc sử dụng các thiết bị rất lớn và tốn kém – gọi là “khoa học lớn”- nhưng chúng đều đòi hỏi ở các nhà khoa học những phẩm chất mà chúng ta vừa nêu ở trên. Thành công của họ chỉ ra con đường cho khoa học Việt Nam, nền khoa học đang phục hồi sau nhiều năm chiến tranh và khó khăn. Sự hồi sinh và tương lai của nó nằm trong tay thế hệ trẻ. Chúng tôi hi vọng những bài học rút ra từ câu chuyện về boson Higgs sẽ thúc đẩy tham vọng và nhiệt tình của các bạn trẻ với khoa học và tri thức.

Để kể lại câu chuyện, chúng tôi nghĩ rằng cách tốt nhất là chọn một số bài báo được viết bởi chính những nhân vật trực tiếp tham gia vào cuộc phiêu lưu kì thú này, và kết nối chúng với nhau bằng vài lời giới thiệu ngắn gọn.

Chương đầu tiên trình bày về Mô hình Chuẩn được xây dựng trên những bất biến cơ bản – đối xứng nhóm và bất biến gauge – và đòi hỏi sự xuất hiện của một loại hạt mới để giải thích cho thực tế rằng nhiều hạt cơ bản có khối lượng. Tên của hạt mới này được đặt theo tên của nhà vật lí Peter Higgs, người đã có công đưa hạt này vào lí thuyết. Tuy nhiên, không phải chỉ có mình Peter Higgs khám phá. Lịch sử hình thành Mô hình Chuẩn, đặc biệt là cơ chế phát sinh khối lượng dựa trên cơ chế phá vỡ đối xứng tự phát, là một chương hấp dẫn của lịch sử khoa học hiện đại. Việc phát hiện ra hạt Higgs mặc dù đã gần như chắc chắn nhưng vẫn cần được chứng minh thêm, sẽ khép lại chương này của vật lí hạt. Tuy nhiên, trong vật lí vẫn còn nhiều câu hỏi mở, đặc biệt ở ranh giới giữa vật lí hạt và hấp dẫn, nên các nhà vật lí phải bận rộn trong một thời gian dài.

Chương thứ hai trình bày về CERN, nơi khám phá này được thực hiện. CERN, biểu tượng của thành công trong hợp tác quốc tế, thường được cho là nơi duy nhất có thể thực hiện được một khám phá như vậy. Điều này có thể hơi phóng đại một chút nhưng cũng cho thấy sự tôn trọng và ngưỡng mộ của cộng đồng các nhà vật lí hạt đối với CERN. Qua hồi ức của một vài người trong số họ, chúng ta sẽ thấy rõ điều đó.

Chương thứ ba tổng hợp lại các câu chuyện về Higgs, được viết bởi các phát ngôn viên đầu tiên của các thí nghiệm đã phát hiện ra nó, ATLAS và CMS. Đây là một tài liệu tổng hợp đáng chú ý, được dịch nguyên vẹn với sự cho phép của các tác giả.

(Nhóm chủ biên)

***
Hạt Higgs (tiếng Việt đọc là: Hích) hay boson Higgs (Bô dôn Hích) là một hạt cơ bản trong mô hình chuẩn của ngành vật lý hạt và là một trong những loại hạt boson. 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”, xác suất rằng dấu hiệu không phải do nó chỉ tới 0,00003% (tức 5 độ lệch); tuy nhiên, các nhà khoa học hạt vẫn cần phải xác nhận rằng sự quan sát này do boson Higgs thay vì một boson bất ngờ chưa được khám phá.

Trong vài thập kỷ qua, ngành vật lý hạt đã xây dựng được một lý thuyết mô hình chuẩn, tạo nên khuôn khổ về sự hiểu biết các hạt và tương tác 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 có tên 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.

Hạt Higgs thường được gọi là “hạt của Chúa” (God particle) trong truyền thông đại chúng bên ngoài cộng đồng khoa học. Tên gọi này xuất phát từ nhan đề cuốn sách năm 1993 về boson Higgs và vật lý hạt The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? của Leon Lederman. Ông đã muốn dùng tên gọi là Goddamn particle (hạt bị Chúa nguyền rủa, hạt mắc dịch) vì tầm quan trọng và sự khó khăn để xác định nó. Tuy nhiên biên tập viên cho rằng cách gọi này quá gây tranh cãi nên đã thuyết phục ông đổi tên.

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.

Ngày 4 tháng 7 năm 2012, Fabiola Gianotti và Joseph Incandela, phát ngôn viên cho hai đội thí nghiệm độc lập ATLAS và CMS trình bày kết quả thực nghiệm của họ về boson Higgs tại LHC. Họ xác nhận mức tin cậy “5 sigma”(5σ) của bằng chứng về một hạt có đặc tính “tương đồng với boson Higgs”, và họ thừa nhận rằng công việc tiếp theo là cần thiết để kết luận rằng nó có mọi đặc tính mà lý thuyết đã tiên đoán về boson Higgs.

***

Mô hình chuẩn của vật lý hạt là một thuyết bàn về các tương tác hạt nhân mạnh, yếu, và điện từ cũng như xác định tất cả những hạt hạ nguyên tử đã biết. Được phát triển vào những năm đầu của thập niên 1970, mô hình chuẩn 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 chuẩn đều đúng như những dự đoán của thuyết này. Tuy nhiên, mô hình chuẩn 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 chuẩn 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, nguyên lý cho rằng không có hai fermion nào có cùng trạng thái lượng tử với nhau. Các hạt boson có spin nguyên và không tuân theo nguyên lý Pauli. Khái quát hóa, fermion là những hạt vật chất còn boson là những hạt truyền tương tác.

Trong mô hình chuẩn, 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 chuẩn 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 chuẩn 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 được 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 chuẩn.

Có 12 dạng fermion khác nhau trong mô hình chuẩn. Cùng với các hạt proton, neutron và electron, những fermion cấu thành nền phần lớn các vật chất. Mô hình chuẩn 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.