Cuộc săn tìm “hạt của thượng đế”

Tất cả đang hướng về LHC ở Geneva

Đã mấy tháng nay, Lisa Randall – nhà vật lý lý thuyết hạt của đại học Harvard (Cambridge, Massachusetts) – đều bắt đầu ngày làm việc từ 4 giờ sáng. Nguyên do là khi đồng hồ ở Massachusetts chỉ 4 giờ sáng, thì ở Geneva (Thuỵ Sĩ) nơi có máy gia tốc khủng LHC (Large Hadron Collider) mọi người đã đến công sở từ lâu, mà Lisa Randall không muốn bỏ lỡ những tin tức đầu ngày về giai đoạn cuối gay cấn của cuộc săn tìm “hạt của thượng đế”. Suốt gần nửa thế kỷ qua, các nhà vật lý hạt mơ về một máy gia tốc đủ mạnh để có thể tái lập các trạng thái của vũ trụ sát ngay sau vụ nổ lớn (Big Bang) nhằm kiểm tra xem, có chăng cái hạt kỳ lạ tuân theo thống kê Bose (gọi là boson) mà Higgs và năm tác giả khác tiên đoán từ năm 1964. Giới vật lý gọi hạt này là Higgs boson (HB), nhưng vì nó quá kỳ lạ và quá quan trọng nên nhà vật lý giải Nobel, Leon Lederman, đã đặt cho nó nickname đầy ấn tượng: “hạt của thượng đế”. LHC với chu vi tới 27km của trung tâm Nghiên cứu hạt nhân châu Âu ở gần Geneva chính là cái máy gia tốc mà các nhà vật lý hạt hằng mơ ước. Và, không phụ lòng “người hâm mộ”, ngày 12 và 13.12.2011, hai thí nghiệm, ATLAS và CMS, tiến hành độc lập ở LHC đã đồng thời thông báo rằng, dường như họ đã “tóm” được “hạt của thượng đế” ở chính xác cùng một “toạ độ” khối lượng 125 MeV/c2 (viết theo hệ thức nổi tiếng của Einstein, E = mc2). Kết quả này lập tức gây chấn động giới khoa học quốc tế. Cho dù mới chỉ “dường như”, nó vẫn được xếp là một trong mười phát hiện khoa học ấn tượng nhất năm 2011, là đề tài nóng nhất trong làng vật lý thế giới.

“Hạt của thượng đế” là gì mà quan trọng đến vậy?

Trên đường tìm hiểu cấu trúc vật chất và sự hình thành của vũ trụ, con người từng nghĩ nguyên tử là nhỏ nhất. Đến cuối thế kỷ 19, khoa học chỉ ra rằng, nguyên tử bao gồm hạt nhân ở giữa và các electron xung quanh, thêm nữa, hạt nhân lại gồm các proton mang điện dương và các neutron không mang điện. Liệu electron, proton hay neutron đã là các hạt nhỏ nhất? Lực nào đã giữ cho các proton cùng mang điện dương (đẩy nhau) ép lại với nhau trong cái hạt nhân nhỏ xíu ấy? Có rất nhiều câu hỏi, rất nhiều dữ liệu quan sát, mà phải đến gần cuối thế kỷ 20 mới tìm được những giải đáp lý thuyết thoả đáng. Và, cho đến hôm nay, lý thuyết thành công nhất, được thừa nhận rộng rãi nhất về cấu trúc vật chất có tên là Mô hình chuẩn (Standard Model – SM). Theo SM, vũ trụ của chúng ta được cấu thành chỉ từ 12 hạt cơ bản (sáu hạt là các loại quark, sáu hạt là các loại lepton) và được điều hành đồng thời bởi bốn loại lực: điện từ, mạnh, yếu và hấp dẫn. Vạn vật hình thành từ 12 “viên gạch” và bốn kiểu “kết nối” này. SM là kết quả của sự nỗ lực tập thể trong suốt bốn thập niên của rất nhiều bộ óc siêu phàm. Là một trong những lý thuyết kỳ vĩ nhất của mọi thời đại, SM trả lời thoả đáng rất nhiều câu hỏi, giải thích rất nhiều dữ liệu thực nghiệm, và tất cả các tiên đoán của nó đều đã được kiểm nghiệm, trừ một mà lại là mấu chốt – đó là, theo SM thì phải có HB, nhưng đã gần nửa thế kỷ trôi qua mà việc tìm kiếm “hạt của thượng đế” này vẫn chỉ là ước mơ. HB là mảnh ghép cuối cùng, mảnh ghép mấu chốt của một lý thuyết vĩ đại – “mấu chốt” bởi vì theo SM, ngay sau vụ nổ lớn (khoảng một phần triệu triệu giây đầu tiên), các hạt được tạo ra chưa có khối lượng còn vũ trụ thì choán đầy bởi trường Higgs (trường của HB); chính nhờ có tương tác với trường Higgs này (tức là với HB) các hạt khác mới có khối lượng, rồi từ đó tạo ra nguyên tử, phân tử, các vì sao, rồi cả vũ trụ, trong đó có quả đất, có bản thân chúng ta với cả hoa hồng cùng sôcôla... Với ý nghĩa tạo nên mọi vật như vậy, HB quả là một “hạt của thượng đế”.
 

Vì sao cuộc săn tìm HB cam go đến thế?

Thứ nhất là, HB rất nặng (khoảng 130 lần nặng hơn proton ở trong hạt nhân), nên muốn tạo ra nó cần năng lượng rất cao. Thứ hai, thời gian sống của HB cực ngắn. Newton nhìn quả táo rơi mà luận rằng có lực hấp dẫn, dẫu chẳng ai nhìn thấy cái lực ấy hình thù ra sao. HB cũng chỉ có thể ghi nhận một cách gián tiếp như vậy, thông qua tác động của nó lên các đối tượng khác. Thế mà “môi trường hoạt động” của HB lại là môi trường của vũ trụ ở khoảng một phần triệu triệu giây đầu tiên. Việc tái tạo một môi trường như vậy, một vũ trụ ban đầu mini, đang được thực thi trong LHC bằng cách cho va chạm giữa các proton đã được gia tốc đến năng lượng đủ cao. Trong năm 2011, mặc dù số va chạm proton-proton được tạo ra ở LHC đã lên đến gần 500 triệu triệu, kết quả đo đạc thống kê vẫn chưa đủ tin cậy, nên ATLAS và CMS mới chỉ dám nói là “dường như” ghi nhận được “hạt của thượng đế”. Để có khẳng định chắc chắn cần thêm rất rất nhiều số liệu. LHC đang tăng tốc (tạo nhiều va chạm proton-proton hơn) và người ta tin rằng đến gần cuối năm nay sẽ có đủ số liệu để khẳng định có hay không “hạt của thượng đế”. Dù câu trả lời cuối cùng thế nào thì kết quả ấy vẫn sẽ là thành tựu khoa học vĩ đại nhất trong 60 năm trở lại đây, và nó sẽ ảnh hưởng to lớn đến toàn bộ tiến trình phát triển của vật lý hạt trong tương lai.

Nguyễn Trần
Theo sgtt.vn