Tại sao các hạt có khối lượng?

Giải Nobel Vật lí năm 2013 vinh danh hai trong những nhà lí thuyết đã thiết lập cơ chế Higgs, lí thuyết giải thích khối lượng của các hạt sơ cấp.

Gần 50 năm đã trôi qua kể từ khi được dự đoán, cuối cùng các nhà vật lí hạt đã tìm thấy boson Higgs. Vì thế Ủy ban Nobel đã trao giải thưởng Nobel vật lí năm nay cho hai trong các nhà lí thuyết đã khởi xướng cuộc săn lùng hạt này. François Englert thuộc trường Đại học Mở Brussels (ULB) và Peter Higgs thuộc Đại học Edingburgh ở Anh đã độc lập nhau nghĩ ra một mô hình lí giải tại sao các hạt lại có khối lượng, và mô hình này đòi hỏi sự tồn tại của boson Higgs. Cả hai bài báo đều được công bố vào năm 1964 trên tờ Physical Review Letters.

Boson Higgs là mảnh ghép cuối cùng của mô hình chuẩn của ngành vật lí hạt cơ bản, nó đã được quan sát thấy sau hàng thập niên tìm kiếm. Vào tháng 6 năm 2012, CERN đã công bố với kèn trống hoành tráng rằng Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) ở Geneva đã tìm thấy một hạt với các tính chất khớp với boson Higgs, nghĩa là các nhà nghiên cứu đã xác nhận một lí thuyết cơ bản của khối lượng.

Peter Higgs đứng trước detector CMS, một bộ phận của Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN.

Về mặt chuyên môn, boson Higgs không cung cấp khối lượng cho những hạt khác. Chính xác hơn, nó là một hiện thân lượng tử hóa của một trường (trường Higgs) tạo ra khối lượng thông qua tương tác của nó với những hạt khác. Nhưng tại sao khối lượng không được giả định là đã có sẵn?

Câu trả lời truy nguyên từ một nghiên cứu trước đây về lí thuyết trường lượng tử. Các trường lượng tử tương tự như các trường quen thuộc như điện trường và từ trường. Nhưng các trường lượng tử có chứa những trạng thái kích thích mà chúng ta quan sát thấy dưới dạng hạt. Các trường này có thể được chia thành các trường vật chất (có các hạt như electron, quark,...) và các trường lực (có các hạt như photon, gluon,...). Vào cuối những năm 1940, các nhà lí thuyết đã chứng minh rằng một lí thuyết trường lượng tử của các photon và electron có thể lí giải thành công các tương tác điện từ ở năng lượng cao.

Tuy nhiên, lí thuyết ấy gặp vướng mắc khi mô phỏng các tương tác hạt nhân. Tầm tác dụng ngắn của lực hạt nhân yếu hàm ý rằng các hạt tương ứng của nó có khối lượng, trái với photon không khối lượng, hạt đi cùng với trường điện từ. Việc đơn giản gán một khối lượng lên trên một hạt mang lực có những tác động tai hại, làm cho những tiên đoán nhất định phân kì đến vô hạn. Vào đầu thập niên 1960, các nhà lí thuyết đang bận rộn tìm kiếm những phương pháp khác để có thể đưa khối lượng vào lí thuyết trường.

Giải pháp được thiết lập bởi Higgs, Englert, và Robert Brout (người làm việc cùng với Englert tại ULB nhưng nay đã mất) đề xuất rằng toàn bộ không gian choán đầy một trường tương tác với các hạt lực yếu mang lại khối lượng cho chúng. Sở dĩ như vậy bởi vì trường được cho là khác không trong không gian trống rỗng. Trạng thái cơ bản khác không này vi phạm một đối xứng được xem là cơ bản đối với lí thuyết trường lượng tử. Nghiên cứu trước đó cho biết loại phá vỡ đối xứng này dẫn tới một hạt không khối lượng, không spin bị bác bỏ bởi các thí nghiệm [1]. Englert, Brout, và Higgs đã chỉ ra cách để làm cho hạt không mong muốn này biến mất bằng cách kết hợp trường choán đầy không gian đó với trường lực yếu. Khi họ xét tất cả các tương tác, họ tìm thấy rằng các hạt lực có một khối lượng hiệu dụng, và hạt không mong muốn, không khối lượng, không spin đó về cơ bản bị hấp thu bởi các hạt yếu. Kết quả là những hạt này có được một trạng thái spin thứ ba, và hạt không spin duy nhất còn lại là boson Higgs khối lượng lớn. Một lí thuyết tương tự cũng được phát triển bởi một đội lí thuyết thứ ba trong cùng năm ấy [2].

Nghiên cứu sau đó cho thấy cơ chế Brout-Englert-Higgs (hay nói gọn là “cơ chế Higgs”) có thể cung cấp khối lượng không những cho các hạt yếu, mà còn cho các electron, các quark, và những hạt sơ cấp khác. Một hạt tương tác với trường Higgs càng mạnh, thì nó có khối lượng càng lớn. Tuy nhiên, điều quan trọng nên lưu ý là đa phần khối lượng ở những hạt phức, như proton, hạt nhân, và nguyên tử, không đến từ cơ chế Higgs, mà từ năng lượng liên kết duy trì những hạt này.

“Brout cùng Englert và Higgs đã nêu ra một ý tưởng rất khéo léo, ngày nay được gọi là cơ chế Higgs,” phát biểu của Michael Turner thuộc trường Đại học Chicago. “Nó mang lại một lời giải thích cho một trong những câu hỏi đơn giản nhất mà người ta có thể nêu ra: tại sao các hạt có khối lượng? Những câu hỏi đơn giản – những sâu sắc – như thế, thậm chí nhiều người nghĩ là không nên hỏi.” Để xác thực cơ chế này, các nhà vật lí hạt đã xây dựng LHC, cỗ máy lớn nhất, phức tạp nhất về mặt kĩ thuật mà người ta từng xây dựng, theo lời Joseph Incandela, phát ngôn viên cho thí nghiệm CMS, thí nghiệm có một trong các detector đã phát hiện ra boson Higgs. “Tôi nghĩ người ta nhìn vào đây và cảm thấy nền vật lí hạt đã lập kì tích gì đó tương tự như việc đặt chân lên mặt trăng.”

Theo Michael Schirber (DOI: 10.1103/Physics.6.111)

Tham khảo:

1. J. Goldstone, “Field theories with Superconductor Solutions,” Nuovo Cimento 19, 154 (1961); J. Goldstone, A. Salam, và S. Weinberg, “Broken Symmetries,” Phys. Rev. 127, 965 (1962).
2. G. S. Guralnik, C. R. Hagen, và T. W. B. Kibble, “Global Conservation Laws and Massless Particles,” Phys. Rev. Lett. 13, 585 (1964).