Các nhà vật lí hạt khởi đầu năm mới 2011 với một liều nhẹ thuốc kinh nghiệm, khi LHC tiến gần đến các mô hình về các chiều dư và siêu đối xứng.
Nhân viên CERN đang làm việc trong hang ATLAS trong đợt nghỉ dưỡng mùa đông này trước khi các va chạm trở lại hoạt động vào đầu tháng 3. (Ảnh: CERN)
Nếu như tháng giêng xanh tươi đang làm cho bạn phấn chấn tinh thần, thì bạn hãy dành chút tâm trí nhớ lại mùa hè năm 2008 khi sự tranh luận về những khám phá có thể có tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) của CERN, khi đó vừa mới khánh thành, đi vào giai đoạn tăng tốc. Các phương tiện truyền thông trên thế giới đổ xô vào cơn cuồng nhiệt về cái mà LHC có thể xào nấu nên: những chiều không gian mới, các “siêu hạt”, vật chất tối và – ai có thể quên chứ? – các lỗ đen nuốt chửng hành tinh. Hai năm rưỡi sau đó – thật sự chẳng có gì bất ngờ cả - hành tinh Trái đất vẫn còn trơ trơ. Và bức tranh đã biết của chúng ta về sự hoạt động cơ bản của tự nhiên vẫn y như thế.
Vẫn còn là những ngày ban mai thôi tại LHC, nhưng năm đầu tiên của cỗ máy chu vi 27 km cho các proton lao vào nhau ở những mức năng lượng kỉ lục đang bắt đầu thuần hóa sức tưởng tượng của các nhà lí thuyết. Các nhà nghiên cứu tại thí nghiệm Compact Muon Solenoid (CMS), chẳng hạn, đã báo cáo rằng, ở những năng lượng đã khảo sát tính cho đến nay, các quark không biểu hiện cấu trúc con nào (arXiv:1010.4439), các hạt kì lạ như coloron và diquark E6 không trình hiện (arXiv:1010.0203) – và leptoquark (arXiv:1012.4031) hay các boson chuẩn nặng mới (arXiv:1012.5945) cũng thế. Mặc dù những thực thể này không thể bị bác bỏ hoàn toàn, nhưng dữ liệu LHC cho phép ràng buộc chúng chặt chẽ hơn – trên nguyên tắc là cho phép các nhà nghiên cứu thiết lập các giới hạn chặt chẽ lên khối lượng của các hạt.
Các nhà khoa học CMS cũng không tìm thấy bằng chứng cho các lỗ đen vi mô trong máy dò hạt 12 500 tấn của họ (arXiv:1012.3375). Kết quả này, được báo cáo ngay trước kì Giáng sinh, sẽ không gây sốc cho bất kì ai nghĩ rằng những lỗ đen như vậy sẽ phá hủy hành tinh của chúng ta. (Đối với họ, đó chỉ là vấn đề thời gian...) Nhưng cũng chẳng có gì bất ngờ đối với nhiều nhà vật lí, vì họ biết rằng các lỗ đen vi mô chỉ có thể xuất hiện tại LHC nếu như không gian có nhiều hơn ba chiều. Vậy thì sự thiếu vắng các lỗ đen của CMS có ý nghĩa gì đối với bức tranh kì dị như thế của không-thời gian? Giờ thì chúng ta đã có thể bắt đầu loại trừ chúng hay chưa?
“Cơ sở khoa học hấp dẫn của sự sản sinh và bay hơi lỗ đen vẫn đứng vững”, khẳng định của Steve Giddings thuộc trường Đại học California, Santa Barbara, người cách đây một thập kỉ là đồng tác giả đề xuất rằng LHC có thể tạo ra các lỗ đen. “Các kết quả CMS bắt đầu bác bỏ những cấu hình cực độ nhất của các chiều dư, mặc dù đúng là những cấu hình như vậy được nhiều người tin là không thể có. Vẫn có khả năng là các lỗ đen sẽ được tạo ra tại LHC, nhưng đó chẳng phải là một tiên đoán, trừ khi bạn biết rõ cấu hình của các chiều dư!”
Lấp đi chỗ trũng
Mô hình của các chiều dư, cơ sở của tiên đoán lỗ đen, được đề xuất đầu tiên vào năm 1998, bởi Nima Arkani-Hamed thuộc Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton và những người khác, để xử lí cái gọi là “bài toán thứ bậc”: vì sao lực hấp dẫn yếu hơn 30 bậc độ lớn so với các lực chi phối thế giới lượng tử. Họ thừa nhận rằng mọi thứ sinh ra hấp dẫn bị giam cầm trong một brane 3D tồn tại trong một không gian nhiều chiều hơn, từ đó cường độ thật sự của lực hấp dẫn rò rỉ ra, làm giảm thang Planck (tại chỗ lực hấp dẫn và các lực khác có cường độ bằng nhau, được xem là trường hợp ứng với những thời khắc đầu tiên của vũ trụ) từ giá trị 1016 TeV bình thường của nó xuống chỉ còn vài ba TeV – đúng mức năng lượng mà LHC đang thăm dò.
Trong một vũ trụ nhiều chiều như thế, Giddings và những người khác tranh luận, các lỗ đen vi mô có thể xuất hiện ở tốc độ một lỗ đen mỗi giây tại LHC khi các hạt đi vào cường độ thật sự của lực hấp dẫn ở cự li ngắn – trước khi phân hủy hầu như ngay tức thì thành một lóe sáng của các hạt bình thường. Tuy nhiên, Arkani-Hamed cho biết ông chưa bao giờ nghĩ rằng tín hiệu lỗ đen đó là đáng tin cậy. “Cho dù có tồn tại các chiều dư đi nữa, thì các lỗ đen sẽ là cái cuối cùng bạn khám phá ra vì bạn sẽ thấy những hiệu ứng khác, lớn hơn, ở những mức năng lượng thấp trước, thí dụ như sự bức xạ hấp dẫn vào các chiều dư”, ông nói. “Cho dù thang Planck giảm đi bao nhiêu, bạn vẫn phải tiến đến các mức năng lượng cao gấp vài lần để bắt đầu tạo ra cái bạn sẽ ghi nhận là một lỗ đen”.
Nhưng Georgi Dvali thuộc trường Đại học Ludwig-Maximilians ở Munich, Đức, người cùng làm việc với Arkani-Hamed về các mô hình chiều dư lớn, khẳng định rằng các lỗ đen vi mô thật sự tồn tại. “Nó xuất hiện từ sự tồn tại của các lỗ đen lớn”, ông nói. “Một lỗ đen vi mô chính là cái xảy ra đối với một lỗ đen lớn tại giai đoạn cuối cùng của sự phát triển, một khi nó đã bay hơi hết qua sự phát bức xạ Hawking. Chúng ta biết điều này xảy ra – chúng ta chỉ không biết là ở thang bậc chiều dài [tức năng lượng] nào mà thôi”.
Theo Dvali, vấn đề là kiến thức lí thuyết hiện nay của chúng ta về các lỗ đen vi mô không đủ để dự đoán chính xác các tính chất của chúng. Để tìm kiếm những đối tượng này (và những thực thể kì lạ khác) tại LHC, các nhà nghiên cứu phải lập mô hình các sự kiện nền có thể na ná như chúng, chủ yếu là các tia vật chất dồi dào hình thành bởi các quark và gluon – một quá trình tự thân nó không được hiểu chính xác trên phương diện lí thuyết. Cho đến nay, đội CMS không tìm thấy tín hiệu nào trên phông nền này, cho phép các nhà nghiên cứu loại trừ các lỗ đen với khối lượng tối thiểu 3,5–4,5 TeV/c2.
Một cú đánh vào lí thuyết dây?
Nhưng sự thiếu vắng của các lỗ đen mà CMS nhìn thấy có phải là một đòn đánh vào lí thuyết dây hay không? Xét cho cùng thì khuôn khổ lí thuyết rộng lớn này cũng viện đến các chiều dư để kết nối lực hấp dẫn với ba lực khác, mô tả các hạt sơ cấp dưới dạng các mặt của những sợi dây cơ bản đang dao động trong không gian 6D hoặc 7D. Tuy nhiên, Arkani-Hamed bác bỏ quan điểm cho rằng như vậy là lí thuyết dây đã bị “mũi máu”; ông xem sự khẳng định như vậy là “lố bịch”.
Lisa Randall ở trường Đại học Harvard, người hồi năm 1999 đã cùng phát triển một phương pháp chiều dư (LED) tương tự gọi là “hình học uốn cong” để xử lí bài toán thứ bậc, giải thích rằng các mô hình chiều dư lớn của bà lẫn của Arkani-Hamed sử dụng các thành phần lí thuyết dây và có thể còn suy luận ra từ lí thuyết dây, nhưng mô hình này chẳng hàm ý đến mô hình kia. “Các mô hình của chúng tôi thật sự là những lí thuyết hiệu quả, được xác định rõ ràng ở những mức năng lượng thấp”, bà nói. “Những mô hình này không nhất thiết phát sinh trong li thuyết dây, và lí thuyết dây không nhất thiết ngụ ý sự hiện thực hóa năng lượng thấp như thế này”.
Các va chạm proton-proton 7 TeV được máy dò hạt Compact Muon Solenoid của CERN ghi lại hiện đang đặt ra các giới hạn chặt chẽ lên khối lượng của những hạt mới có thể có. (Ảnh: CERN)
Thật ra, lí thuyết dây minh họa cụ thể việc có thể kiểm tra cơ sở toán học liên hệ lực hấp dẫn với thế giới lượng tử khó khăn như thế nào. Lí thuyết dây mô tả một con số quá mức của những sự kết hợp có thể có của các chiều dư, mỗi sự kết hợp tương ứng với một vũ trụ khả dĩ khác nhau, nhiều trong số đó có chứa các đặc điểm của mô hình LED lẫn mô hình hình học uốn cong. “Theo loại kết hợp “tương đối tính hơn” và rộng rãi hơn nhiều này, có vẻ như có thể có những kết hợp đặc biệt trong đó lực hấp dẫn có cường độ mạnh tại LHC”, Giddings nói. “Nhưng có thể có nhiều kết hợp không thể”.
Trước khi các nhà vật lí lí thuyết nổi danh với việc ngắt kết nối khỏi địa hạt đo lường, Arkani-Hamed cho biết ngay trước khi thí nghiệm mang lại một phán quyết tối hậu, thì các điều kiện nhất quán – các kết quả toán học phải nhất quán với các thí nghiệm hiện có – khó thỏa mãn đến mức vô số những ý tưởng mới hầu như chết ngay lập tức. Các mô hình chiều dư lớn, chúng là nỗ lực mới đầu tiên nhằm bẻ khóa bài toán thứ bậc trong gần 20 năm qua, là hợp lí một phần vì các thí nghiệm chỉ mới kiểm tra tính bất khả xâm phạm của không gian 3D ở thang bậc tương đối lớn, chừng 0,1 mm.
Gọi là siêu thế giới
Tuy nhiên, một sự tìm kiếm hăm hở tại LHC sẽ củng cố cho lí thuyết dây và giải được bài toán thứ bậc ngay tức thì: đó là siêu đối xứng (SUSY), cái ấn định những chiều lượng tử mới cho không-thời gian làm phát sinh toàn bộ phổ của những đối tác nặng cho các hạt Mô hình Chuẩn đã biết, gọi là các “siêu hạt”. “Siêu đối xứng là ý tưởng sâu sắc hơn nhiều so với các chiều dư, và còn có những gợi ý mạnh bất ngờ rằng SUSY năng lượng thấp là đúng”, Arkani-Hamed nói. “Cho nên nếu phải đánh cuộc, tôi sẽ cuộc (rất nhiều) rằng một số biến thể của SUSY sẽ trình hiện tại LHC”.
Các tìm kiếm SUSY tại các máy va chạm CERN trước đây và tại máy va chạm Tevatron sắp ngừng hoạt động tại Fermilab ở Mĩ đã chẳng tìm thấy gì, cho phép các nhà vật lí đặt ra các giới hạn dưới lên khối lượng các siêu hạt. Các va chạm năng lượng cao của LHC cho phép cỗ máy tạo ra các siêu hạt nặng hơn, nếu như chúng tồn tại. Nhưng hồi đầu tháng này, CMS báo cáo rằng cho đến nay thí nghiệm này chẳng tìm thấy cái gì mới, loại trừ các hạt siêu đối xứng với khối lượng dưới khoảng 0,5 TeV/c2 (arXiv:1101.1628). Và hồi tháng 11, thí nghiệm trên đã báo cáo rằng không có dấu hiệu này của các gluon siêu đối xứng (glunio) có thời gian sống lâu, những hạt sẽ phát sinh nếu một hướng phát triển của SUSY gọi là siêu đối xứng phân tách là chính xác (arXiv:1011.5861).
Người ta trông đợi thí nghiệm chị em của CMS, ATLAS, sẽ báo cáo các tìm kiếm riêng của nó về những hạt mới kì lạ như vậy trong vòng vài tuần tới, mặc dù nó đã bác bỏ cấu trúc con quark (arXiv:1009.5069) và các hạt lạ nhẹ hơn 1,26TeV/c2 (arXiv:1008.2461). Và với LHC sắp khởi động lại vào tháng tới sau kì nghỉ dưỡng mùa đông của nó và tích góp dữ liệu ở tốc độ còn cao hơn nữa – có lẽ cũng ở một mức năng lượng cao hơn – hàng thập kỉ nghiên cứu lí thuyết vật lí ngoài Mô hình Chuẩn (tất nhiên, cùng với cơ chế mang lại khối lượng cho các hạt sơ cấp) sẽ sớm hiện hữu rõ ràng.
“Biết rằng LHC chỉ mới bắt đầu đào sâu vào lãnh thổ thích hợp cho bài toán thứ bậc, điều thật sự bất ngờ là cỗ máy trên không tìm ra bằng chứng nào cho bất cứ cái gì mới mẻ trong những phân tích rất sơ bộ của dữ liệu thu thập ở nửa mức năng lượng tối hậu của nó”, Arkani-Hamed nói. “Nhưng cho dù chẳng tìm thấy chiều dư nào hết, nhưng đối với tôi thế đã là hoàn hảo – xét cho cùng thì chúng tôi đang làm việc nghiêm túc!”
Matthew Chalmers – Physics World, tháng 1/2011
