Alfred B. Bortz
Chương 10
1991 – 2000: Các kết nối vũ trụ
Thập niên 1990 không giải quyết gì được nhiều những câu hỏi còn bỏ ngỏ của lí thuyết dây và những nỗ lực khác nhằm thống nhất các lực cơ bản. Có một số tiến bộ nhưng chẳng bất ngờ trong ngành vật lí hạt cơ bản. Việc phát hiện ra quark đỉnh (trên) và neutrino tau tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi (Fermilab), ở Batavia, Illinois, đã hoàn tất mô hình chuẩn của ngành vật lí hạt, công trình đỉnh điểm khơi nguồn bởi Gell-Mann tận 30 năm về trước. Đó cũng là giai đoạn mà những khám phá quan trọng trong những lĩnh vực khoa học khác được thực hiện bởi sự tiến bộ công nghệ không ngừng. Những người đọc các sách phổ biến khoa học của Hawking đã có những câu hỏi vũ trụ học mới để thưởng thức, mang lại bởi một đài thiên văn đang quay trên quỹ đạo gọi là Tàu khảo sát Nền vi sóng Vũ trụ (COBE) và những kết quả đầu tiên từ dự án đầy tham vọng Khảo sát Bầu trời số Sloan (SDSS). Những ai chia sẻ bầu nhiệt huyết của Sagan về nền văn minh ngoài địa cầu có cái để quan tâm với đá sao Hỏa, còn những ai chia sẻ mối quan tâm đến môi trường của ông (thường cũng là những người trên) thì lo âu bởi bằng chứng tăng dần của sự ấm lên toàn cầu do hoạt động của con người gây ra. Kiến thức vật lí ngày một trở nên quan trọng trong chính sách năng lượng toàn cầu và chính sách môi trường.
Đặc biệt ở nước Mĩ, việc giảng dạy khoa học trở thành một vấn đề chính trị nóng bỏng. Nhà khoa học nổi bật của chương này, cựu giám đốc Fermilab, Leon Lederman, luôn luôn xem trọng việc đào tạo. Lúc về hưu, ông đã dốc bầu nhiệt huyết của mình và tranh thủ các cơ hội để tạo ra sự đổi mới phương thức tuổi trẻ học tập khoa học. Ông sử dụng uy tín nhà khoa học đạt giải Nobel của mình và địa vị của ông trong cộng đồng vật lí học để tạo điều kiện thuận lợi cho công trình mới của ông đưa đến một chương trình đào tạo khoa học mẫu mực ở các trường công Chicago và một kho tài nguyên giáo dục quốc gia về vật lí hạt cơ bản tại Fermilab và trên trang trực tuyến.
Vật lí hạt cơ bản: Hoàn tất Mô hình Chuẩn
Sau việc khám phá ra meson J/psi và quark duyên vào năm 1974, các nhà vật lí đã có một cảm giác ngắn ngủi rằng họ đã hoàn tất bức tranh hạ nguyên tử (xem chương 8). Lúc ấy, họ biết hai “thế hệ” hạt sơ cấp. Thế hệ thứ nhất gồm các hạt cấu tạo nên vật chất bình thường: các quark up (lên) và down (xuống) kết hợp thành proton, neutron và các pion của lí thuyết lực mạnh Yukawa; cộng với hai lepton, electron và neutrino của nó. Thế hệ thứ hai gồm thêm hai quark nữa (quark lạ và quark duyên) và hai lepton nữa (muon và neutrino của nó) giải thích cho tính chất mà Gell-Mann gọi là tính lạ và tính duyên cần thiết để thống nhất lực điện yếu. Cảm giác hoàn tất bị vỡ tan tành vào năm 1975 với sự khám phá ra một lepton mới, hạt tau. Điều đó gợi ý rằng còn tồn tại một thế hệ hạt sơ cấp thứ ba, bao gồm một cặp quark khác (quark đỉnh/sự thật [top/truth] và quark đáy/đẹp [bottom/beauty]) và một neutrino tau. Không biết thế hệ đó có hoàn tất cái đang gọi là mô hình chuẩn của các hạt hạ nguyên tử hay không? Các máy gia tốc đang đạt tới các năng lượng ngày một cao hơn, cho nên câu hỏi sau đây tự nhiên phát sinh: Có một thế hệ hạt sơ cấp thứ tư, rồi thứ năm, thứ sáu, vân vân, hay không?
Khi bước sang thập niên 1990, quark đỉnh và neutrino tau vẫn chưa được phát hiện ra, và đã 15 năm trôi qua kể từ khi Lederman và đội của ông tìm ra bằng chứng của quark đáy ở dạng hạt upsilon (xem chương 7). Các nhà vật lí bắt đầu nghi ngờ rằng thế hệ thứ ba có lẽ đã là cuối cùng, nhưng họ luôn nằm lòng một câu ngạn ngữ quan trọng trong khoa học: “Không có bằng chứng không có nghĩa là bằng chứng của không có”. Vào cuối thập niên 1990 và thế kỉ thứ 20, họ vẫn thiếu bằng chứng rằng ba thế hệ hạt như thế là đủ, nhưng họ có ý tưởng về nơi cần khảo sát: đi sâu vào lòng đất với các máy dò neutrino cỡ lớn (xem chương 11).
Các phòng thí nghiệm máy gia tốc trọng yếu trên khắp thế giới liên tục phát triển các kĩ thuật và dụng cụ dò tìm mới, và khảo sát những va chạm năng lượng ngày một cao hơn. Khi năng lượng càng cao, nó mang lại cơ hội sản sinh ra các hạt với khối lượng càng lớn. Quark đỉnh được kì vọng nặng gấp 40 lần quark đáy, nhưng vào năm 1995, công nghệ dò tìm nó mới xuất hiện. Vào năm đó, hai đội nghiên cứu tại Fermilab đã tìm thấy bằng chứng thuyết phục của các quark đỉnh trong các thí nghiệm va chạm năng lượng cao của họ. Để hoàn thiện thế hệ thứ ba của các hạt sơ cấp hạ nguyên tử, chỉ có neutrino tau vẫn chưa chịu xuất đầu lộ diện. Một lần nữa, chính các nhà nghiên cứu Fermilab đã thực hiện khám phá quan trọng trên vào năm 2000, năm cuối cùng của thế kỉ 20.
Không có dấu hiệu nào của một thế hệ nữa của các hạt sơ cấp hạ nguyên tử xuất hiện ở chân trời, nhưng vẫn có sức hút quốc tế trong việc xây dựng những cỗ máy gia tốc hạt với năng lượng cần thiết để tìm kiếm boson Higgs (xem chương 7). Ở Mĩ, dự án Siêu máy va chạm Siêu dẫn (SSC) bắt đầu định hình vào những năm 1980 và được chính phủ phê duyệt vào năm 1987. Nó đòi hỏi các nam châm siêu dẫn khổng lồ cho phép các hạt chuyển động trong một đường hầm tròn chu vi 54 dặm (87 km). Giữa năm 1990, một mẫu thiết kế kĩ thuật đầy đủ đã hoàn tất, và việc xây dựng bắt đầu triển khai không bao lâu sau đó. Vào năm 1993, sau khi đã chi 2 tỉ USD cho dự án và đã làm xong 14 dặm (22,5 km) đường hầm, Quốc hội Mĩ đã hủy bỏ dự án. Các nhà khoa học chuyển hướng sang CERN tìm kiếm sự tiến bộ tiếp theo về năng lượng, nơi Máy Va chạm Hadron Lớn được trông đợi đi vào hoạt động vào năm 2007.
Trong khi đó, các nhà lí thuyết đang vật lộn với bài toán thiếu hụt neutrino và câu hỏi neutrino có khối lượng hay không. Khối lượng neutrino có thể tiến một hành trình dài để giải thích vấn đề thiếu hụt neutrino mặt trời. Vào những năm cuối cùng của thập niên 1990, một số nhà lí thuyết bắt đầu xem neutrino electron, neutrino muon và neutrino tau không phải là ba hạt khác nhau mà là ba mốt của cùng một hạt. Để cho giả thuyết đó phù hợp với lí thuyết vật lí, neutrino (hay các neutrino) phải có khối lượng và khối lượng đó phải thay đổi khi neutrino biến đổi mốt của nó. Nếu các neutrino thật sự là các mốt chứ không phải là những hạt riêng lẻ, thì chúng sẽ dao động giữa các mốt khi chúng truyền trong không gian. Sự dao động như vậy có nghĩa là neutrino mặt trời, phát ra dưới dạng các neutrino electron, sẽ đi tới Trái đất với một hỗn hợp bằng nhau của cả ba mốt. Nếu các máy dò neutrino chỉ phản ứng với neutrino electron, thì hai phần ba số neutrino mặt trời đó sẽ thoát khỏi phạm vi dò. Điều đó thật sự là đúng, nhưng phải sang thế kỉ mới thì kết quả rạch ròi mới xuất hiện (xem chương 11). Kết quả đó cũng bác bỏ một thế hệ thứ tư của các hạt sơ cấp hạ nguyên tử, chúng đòi hỏi một mốt neutrino thứ tư, mâu thuẫn với bằng chứng mạnh mẽ hiện nay cho ba mốt. Mô hình chuẩn của ngành vật lí hạ nguyên tử dường như đã hoàn tất với ba thế hệ của bốn hạt: một lepton và mốt neutrino tương ứng của nó, cộng với một cặp quark.
Còn tiếp...
