ĐƠN TỬ CĂN BẢN HIGGS BOSON

Khám phá mới nhất của Vật Lý Đơn Tử

- Đỉnh Sóng

Cấu trúc khả thể của một Higgs boson được tạo ra sau một va chạm mô phỏng giữa hai protons. Higgs boson suy hoại gần như tức khắc thành hai tia hadrons và hai electrons có thể nhìn thấy như hai đường thẳng.

Vật lý đơn tử vừa đạt được một khám phá tối quan trọng liên quan đến sự hiện hữu của một thứ nguyên tử (subatom) hay đơn tử căn bản (elementary particle) mà các khoa học gia đã tìm kiếm hơn 45 năm nay.  Vào ngày 4 tháng 7, năm 2012, các khoa học gia của Trung Tâm Nghiên Cứu Nguyên Tử Âu Châu (CERN) thông báo đã tìm được một đơn tử hoạt động đúng theo cách mà họ đã ước đoán của đơn tử căn bản tử mang tên Higgs boson. "Higgs" là tên của vật lý gia Peter Higgs. Thứ nguyên tử nầy từng được mệnh danh là "God Particle (Đơn Tử Chúa)", có khả năng là nguyên cơ của tất cả trọng khối (mass) trong vũ trụ. Các vật lý gia vô cùng phấn khởi khi hiểu biết nhiều hơn về vũ trụ của chúng ta.  Nếu Higgs boson có thực thì chúng ta sẽ khai quật sâu hơn bí mật của vũ trụ.

Mô HìnhChuẩn ((Standard Model)

Tuy nhiên, muốn hiểu Higgs boson   là gì, chúng ta cần xem xét một trong những lý thuyết hàng đầu mô tả cách thức vận hành của vũ trụ: Mô Hình Chuẩn (Standard Model). Mô hình nầy phát xuất từ vật lý đơn tử (particle physics), một bộ môn có mục đích giản lượt vũ trụ phức tạp của chúng ta vào những cấu tố căn bản nhất (most basic building blocks).  Đó là một thách thức mà chúng ta đã đối mặt qua nhiều thế kỷ, và chúng ta đã thực hiện được nhiều tiến bộ.  Đầu tiên, chúng ta khám phá ra các atoms (nguyên tử), rồi protons (đơn tử có tích điện dương trong các nhân nguyên tử), neutrons (trung hòa tử), electrons (đơn tử có tích điện âm), quarks (vi lượng tạo ra các hợp tố hadrons, trong đó có protons và neutrons), và cuối cùng là leptons. Đó là những thành tố cấu tạo nên vật chất; nhưng vũ trụ không chỉ có vật chất; nó còn chứa những lực (forces) tác động trên vật chất.  Mô Hình Chuẩn cung ứng cho chúng ta nhiều trực giác hơn về những loại vật chất và lực so với bất kỳ lý thuyết nào khác.

Mô Hình Chuẩn được triển khai vào đầu thập niên 1970.  Đại để mô hình nầy cho chúng ta biết rằng vũ trụ được cấu tạo bởi 12 đơn tử vật chất (matter particles) khác nhau và 4 lực. Trong 12 đơn tử đó, chúng ta có 6 quarks và 6 leptons.  Quarks tạo ra protons và neutrons, trong khi hệ lepton (lepton family) bao gồm electrons và electron neutrinos (tức đối tử trung hòa của electrons). Các khoa học gia nghĩ rằng leptons và quarks là bất khả phân (indivisible), nghĩa là không thể tách ra thành những thứ đơn tử nhỏ hơn nữa được. Bên cạnh tất cả những đơn tử đó, Mô Hình Chuẩn cũng nhận ra 4 lực: gravity (trọng lực), electromagnetic (lực điện từ), strong (lực mạnh), và weak (lực yếu).

Về mặt lý thuyết, Mô Hình Chuẩn rất hữu hiệu, ngoại trừ việc nó không thể giải quyết được vấn đề trọng lực.  Nhờ vào  Mô Hình Chuẩn, các vật lý gia đã tiên đoán sự hiện hữu của một số đơn tử nhiều năm trước khi chúng được kiểm chứng qua thực nghiệm.  Tuy nhiên, mô hinh này vẫn còn thiếu một yếu tố, được giả định là đơn tử căn bản - Higgs boson.  Đó là cái gì? Tại sao vũ trụ mà chúng ta mô tả phải cần đến nó mới vận hành được?

Cuối cùng, các khoa học gia nghĩ rằng mỗi lực trong số 4 lực căn bản nói trên đều có một đơn tử truyền tải (carrier particle), hay boson, tác động trên vật chất. Đó là một khái niệm khó hiểu.  chúng ta có khuynh hướng nghĩ về những lực như là những gì bí ẩn, ngự trị trên biên thùy giữa hiện hữu và hư vô; nhưng thực tế chúng cũng hiện thực như chính vật chất vậy.

Một số vật lý gia đã mô tả bosons như những quả tạ được những sợi dây thun bí mật buộc vào các đơn tử vật chất vốn sản sinh ra chúng.  Theo cách loại suy nầy, chúng ta có thể tưởng tượng những đơn tử thường xuyên thoát ra khỏi hiện hữu trong một lúc nhưng vẫn đủ khả năng được chốt lại với sợi dây thun khác được gắn vào những bosons khác (và tạo ra lực trong tiến trình đó).

Các khoa học gia nghĩ rằng một lực căn bản có những bosons riêng biệt của nó.  Điện từ trường, chẳng hạn, phải có quang tử (photon) mới truyền tải lực đến vật chất.  Các vật lý gia nghĩ rằng Higgs boson có thể có một chức năng tương tự như thế - nhưng để truyền tải chính trọng khối.

Liệu vật chất cố hữu có thể có trọng khối mà không cần những Higgs bosons rắc rối? Theo Mô Hình Chuẩn thì không thể được. Nhưng các vật lý gia đã tìm ra được một giải pháp. Sự thể sẽ ra sao nếu tất cả những đơn tử không có trọng khối cố hữu, nhưng, thay vì thế, lại nhận được trọng khối khi đi qua một trường (field)?  Trường nầy, mệnh danh là trường Higgs (Higgs Field), có thể tác động trên những đơn tử khác nhau theo những cách khác nhau. Photons có thể chui qua mà không bị ảnh hưởng, trong khi W bosons và Z bosons lại bị trọng khối chặn lại. Thực tế, giả sử Higgs boson có thực thì vật thể nào có trọng khối cũng đều có nó khi đối tác với Higgs Field.  Không như các trường khác, Higgs Field toàn năng chiếm toàn bộ vũ trụ nên không có cái gì nằm ngoài tầm của nó được. Nhưng cũng như những trường khác, Higgs Field cũng cần một đơn tử truyền tải để tác động trên những đơn tử khác, và đơn tử đó được mệnh danh là Higgs boson.

Đại cương về Higgs bosons

Higgs boson được giả định là một đơn tử căn bản do Peter Higgs gợi ý năm 1964.  Sự hiện hữu của Higgs boson và trường Higgs Field tương quan có thể là phương pháp đơn giản nhất được biết đến nhằm giải thích tại sao những đơn tử căn bản có trọng khối.  Theo lý thuyết nầy, một trường vô hình (unseen field) bao trùm tất cả không gian; trường nầy có một trị số khác không (non-zero value) ở mọi nơi, ngay cả trong trạng thái năng lượng thấp nhất của nó, và nhiều đơn tử căn bản khác có được trọng khối khi đối tác với nó. Higgs boson - kích động nhỏ nhất của trường Higgs Field - được tiên đoán là có thực do cùng một lý thuyết, và vì điều nầy có thể tiên liệu được nên nó đã là mục tiêu của một quá trình tìm kiếm lâu dài trong vật lý đơn tử.  Một trong những mục tiêu sơ khởi của Hệ Tăng Tốc Large Hadron Collider (LHC) tại Trung Tâm Nghiên Cứu Nguyên Tử Âu Châu ở Genève - một trong những dụng cụ khoa học phức tạp nhất từ trước đến nay - có nhiệm vụ trắc nghiệm sự hiện hữu của Higgs boson   và đo lường những thuộc tính của nó nhằm cho phép các vật lý gia khẳng định được cộc mốc nầy trong lý thuyết hiện đại.

Theo Mô Hình Chuẩn, đơn tử Higgs là một boson, tức là một loại đơn tử cho phép nhiều đơn tử giống nhau hiện hữu trong cùng một nơi ở trong cùng trạng thái lượng tử (same quantum state).  Nó không có xoay vòng nội tại (intrinsic spin), không có tải điện (electric charge), và không tải màu (color charge), rất bất ổn, suy hoại (decay) thành những đơn tử khác hầu như tức khác sau khi được cấu tạo.  Nếu Higgs boson được chứng minh là không hiện hữu thì những mô hình phi Higgs (Higgless models) phải được xem xét đến. Trong một số biến thiên của Mô Hình Chuẩn, có thể có nhiều Higgs bosons.

Sự hiện hữu của Higgs boson được tiên đoán năm 1964 để giải thích then máy Higgs (Higgs mechanism) - một công cụ giúp cho những đơn tử căn bản có được trọng khối.  Trong khi then máy Higgs được xác định là có thực thì chính đơn tử căn bản boson - một cộc mốc của lý thuyết dẫn đầu - lại chưa được quan sát thấy và sự hiện hữu của nó không được khẳng định. Một khám phá vào tháng 7/2012 có thể công nhận Mô Hình Chuẩn chủ yếu là đúng, và đó là đơn tử căn bản cuối cùng được tiên đoán và đòi hỏi bởi Mô Hình Chuẩn vốn không được quan sát thấy thông qua những thí nghiệm vật lý đơn tử. Những phương án thay thế của then máy Higgs không cần Higgs boson cũng có thể có và sẽ được xem xét nếu sự hiện hữu của Higgs boson bị loại bỏ.  Chúng được gọi là Higgsless models (mô hình phi Higgs).

Về mặt kỹ thuật, chính sự kích động lượng tử (quantum excitation) của trường Higgs Field, và trị số khác không của trạng thái nguội (ground state) giúp những đơn tử căn bản khác có được trọng khối, như quarks và electrons.  Mô Hình Chuẩn hoàn toàn xác định những thuộc tính của Higgs boson, ngoại trừ trọng khối của nó.  Nó giả định là không xoay vòng nội tại (intrinsic spin), không có tải điện (electric charge), và không tải màu (color charge), và đối tác với những đơn tử khác qua đối tác yếu (weak interaction) và những loại đối tác theo dạng Yukawa.

Vì Higgs boson là một đơn tử có trọng khối vô cùng lớn và suy hoại hầu như tức khắc sau khi được cấu tạo nên chỉ có một máy tăng tốc đơn tử với năng lượng rất cao mới có thể quan sát được nó và ghi nhận dữ kiện. Độ nhất quán toán học của Mô Hình Chuẩn đòi hỏi bất kỳ then máy nào có khả năng sản sinh được những trọng khối của những đơn tử căn bản phải trở nên hiển thị ở năng lượng cao hơn 1.4 TeV (trillion electronvolts).  Do đó, máy tăng tốc LHC được xây dựng để trả lời câu hỏi liệu Higgs boson có hay không.

Ngày 4 tháng 7, 2012, cả hai thí nghiệm chính ở LHC đều độc lập xác nhận sự hiện diện của một đơn tử chưa hề biết trước đây với một trọng khối khoảng 125 GeV/c² (125 gigaelectronvolt - khoảng 133 lần trọng khối của proton, hay khoảng 10^-25 kg), phù hợp với Higgs boson và được nhiều người tin là Higgs boson. Các vật lý gia cảnh báo rằng còn phải làm nhiều việc nữa mới có thể xác định đó thực sự là Higgs boson, nghĩa là nó có những thuộc tính được dự đoán theo lý thuyết của Higgs boson chứ không phải một đơn tử nào khác chưa biết trước đây.  Và nếu thế người ta có thể xác định phiên bản Mô Hình Chuẩn nào phù hợp với nó nhất.

Trong vật lý đơn tử, những đơn tử căn bản và các lực giúp vũ trụ vận hành chung quanh chúng ta.  Vật lý giải thích hoạt động và đối tác của những đơn tử nầy thông qua Mô Hình Chuẩn - một khung tham chiếu được nhiều người chấp nhận và tin là có thể giải thích phần lớn thế giới mà chúng ta thấy chung quanh. Ban đầu, khi những mô hình nầy được triển khai và thí nghiệm, có vẻ như toán học phía sau các mô hình nầy - vốn thỏa đáng trong những lãnh vực đã thử nghiệm - cũng ngăn cản những đơn tử căn bản không được có trọng khối nào.  Điều đó rõ ràng cho thấy rằng những mô hình ban đầu là không hoàn chỉnh. Vào năm 1964, ba nhóm vật lý gia hầu như đồng thời đưa ra những tài liệu mô tả làm thế nào những trọng khối có thể mang đến cho các đơn tử nầy thông qua những phương án mệnh danh là symmetry breaking (phá vỡ đối xứng).  Phương án nầy cho phép các đơn tử có được một trọng khối mà không vi phạm những phần khác của lý thuyết vật lý đơn tử vốn đã được tin là khá đúng.  Khái niệm nầy đã trở thành quen thuộc với cái tên là Higgs mechanism (then máy Higgs) - không phải là một với đơn tử căn bản boson.  Và những thí nghiệm về sau khẳng định một then máy như thế là có thực - nhưng họ không thể cho thấy chính xác nó xảy ra thế nào.

Lý thuyết dẫn đầu và đơn giản nhất liên quan đến cách thức hệ quả nầy xảy ra thế nào trong thiên nhiên là: nếu một lọai "trường - field" đặc biệt nào đó (mệnh danh  là Higgs Field) xảy ra để bao trùm không gian, và nếu nó có thể đối tác với những đơn tử căn bản theo một cách đặc biệt nào đó thì tiến trình nầy sẽ tạo ra then máy Higgs trong thiên nhiên, và do đó sẽ tạo ra chung quanh chúng ta hiện tượng mà chúng ta gọi là "mass - trọng khối".

Trong những thập niên 1960 và 1970, Mô Hình Chuẩn của vật lý được triển khai trên căn bản nầy, và nó bao gồm một tiên liệu và đòi hỏi rằng, muốn cho những sự kiện nầy có thật, phải có một boson chưa được khám phá ra - một trong những đơn tử căn bản - được xem như là đối tác (counterpart) của trường nầy. Đây sẽ là Higgs boson.  Nếu Higgs boson được xác nhận là có, theo giả định của Mô Hình Chuẩn, thì các khoa học gia có thể thỏa mãn rằng Mô hình Chuẩn căn bản là đúng.  Nếu Higgs boson được chứng minh là không có thì ngược lại những lý thuyết khác sẽ được xét đến như những ứng viên.

Mô Hình Chuẩn cũng cho thấy rõ rằng Higgs boson rất khó chứng minh.  Nó hiện hữu chỉ trong một phần nhỏ của một giây trước khi tan vỡ thành những đơn tử khác - nhanh chóng đến độ không thể phát hiện trực tiếp được.  Nó chỉ có thể được phát hiện bằng cách nhận diện những kết quả của sự suy hoại tức khắc của nó và phân tích chúng để thấy rằng có lẽ chúng được tạo ra từ một Higgs boson chứ không phải từ một nguồn nào khác. Higgs boson đòi hỏi quá nhiều năng lượng để tạo ra (so với nhiều đơn tử căn bản khác) nên nó cũng đòi hỏi một máy tăng tốc đơn tử có trọng khối lớn để tạo ra những va chạm đủ mạnh để tạo nên nó và ghi nhận những dấu vết suy hoại của nó.

Với một máy tăng tốc (accelerator) thích hợp và những máy thám sát (detectors) thích hợp, các khoa học gia có thể ghi nhận hàng tỉ đơn tử va chạm nhau, phân tích dữ kiện của những va chạm có khả năng là một Higgs boson, và sau đó tiến hành phân tích xa hơn để thí nghiệm xem có bao nhiêu khả năng những kết quả tổng hợp chứng tỏ được một Higgs boson là có thực, và những kết quả không chỉ do ngẫu nhiên mà có.

Những thí nghiệm nhằm cố gắng chứng minh Higgs boson có hay không có bắt đầu vào thập niên 1980, nhưng cho đến thập niên 2000 người ta chỉ có thể nói rằng một số lãnh vực là khả thể (plausible), hay bị loại bỏ. Năm 2008, máy tăng tốc LHC được khánh thành, là máy tăng tốc đơn tử mạnh nhất từ trước đến nay.  Nó được thiết kế đặc biệt cho thí nghiệm nầy và những thí nghiệm năng lượng rất cao khác của Mô Hình Chuẩn.  Năm 2010, nó bắt đầu vai trò nghiên cứu sơ khởi của nó: chứng minh Higgs boson có hay không có.

Cuối năm 2011, hai thí nghiệm của LHC bắt đầu độc lập gợi ý cho thấy một phát hiện về Higgs boson khoảng 125 GeV.  Và tháng 7/2012, CERN thông báo bằng chứng liên quan đến sự khám phá một boson với một trình độ năng lượng và những thuộc tính khác nhất quán với những thuộc tính ước đoán trong một Higgs boson.  Cần có nhiều công trình hơn nữa để giúp cho bằng chứng được xem là chắc chắn (hay bị phản chứng).  Nếu đơn tử mới được khám phá thực sự là Higgs boson thì người ta sẽ quay sang xem xét liệu những đặc tính của nó có phù hợp với một trong những phiên bản hiện hữu của Mô Hình chuẩn hay không.  Những dữ kiện của CERN bao gồm những gợi ý cho rằng những bosons bổ sung hay những đơn tử có trọng khối tương tự có thể đã được khám phá cũng như chính Higgs bosons, hay thay vì Higgs bosons.  Nếu một boson khác được khẳng định thì nó sẽ cho phép và đòi hỏi triển khai những lý thuyết mới để thay thế Mô Hình Chuẩn hiện có.

(....................................................................)
(Xin xem toàn bộ tài liệu trên Nguyệt San Đỉnh Sóng Số #14)

Tài liệu tham chiếu:

http://www.wired.com/wiredscience/2012/07/what-can-we-do-with-the-higgs-boson/

http://en.wikipedia.org/wiki/Higgs_boson

http://science.howstuffworks.com/higgs-boson.htm