Các nhà lí thuyết chuyển sang graphene tìm manh mối cho hạt Higgs

Các nhà vật lí ở Tây Ban Nhan tin rằng chúng ta có thể học được đôi thứ về trường Higgs từ cách thức các gợn sóng xuất hiện trong graphene. (Ảnh: Đại học Manchester)

Có khi nào những kiến thức mới về boson Higgs vốn hay lảng tránh – hạt đang được săn lùng ráo riết tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) – lại đến từ một chất rắn đơn giản? Vâng, theo một bộ tam gồm ba nhà vật lí ở Tây Ban Nha, thì những manh mối thiết yếu có thể đến từ việc khảo sát graphene – một tấm carbon chỉ dày một nguyên tử. Họ cho rằng những gợn sóng trong chất liệu này phát sinh từ một quá trình phá vỡ đối xứng tự phát tương tự như cái đã phân tách lực yếu và lực điện từ trong vũ trụ sơ khai.

Ở những mức năng lượng cao của vũ trụ sơ khai, lực hạt nhân yếu và lực điện từ được cho là hợp nhất thành một lực điện yếu. Khi nhiệt độ của vũ trụ giảm xuống dưới một điểm nhất định, thì hai lực đột ngột trở nên tách rời nhau. “Sự phá vỡ đối xứng điện yếu” này có thể giải thích theo một trường – trường Higgs – chuyển dịch từ một trạng thái năng lượng cao trống rỗng thực sự sang trạng thái cơ bản của nó, choán đầy không gian với một trường mang lại cho một số hạt khối lượng của chúng.

Boson Higgs cho đến nay chưa phát hiện ra là hạt đi cùng với các dao động của trường này, và hiện đang được săn tìm ở LHC. Nhưng chính xác thì cái gì chi phối trường Higgs chuyển dịch giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái cơ bản? Mặc dù các thông số trong Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt có thể điều chỉnh để mang lại sự phá vỡ đối xứng, nhưng có khả năng là trường Higgs có thể không cần bất kì sự dỗ dành nào hết. Pablo San-Jose cùng các đồng nghiệp tại Viện Khoa học Vật liệu Madrid cho rằng việc nghiên cứu sự xuất hiện của các gợn sóng trong graphene có thể làm sáng tỏ quá trình trên.

Sự phá vỡ đối xứng tự phát nằm tại tâm điểm của sự giống nhau ấy – graphene mất một số đối xứng trong chuyển tiếp từ một hình dạng phẳng sang một dạng gợn sóng, theo kiểu giống như “sự kích hoạt” của trường Higgs buộc chặt với sự phá vỡ đối xứng điện yếu. So với cấp độ vũ trụ to lớn, thì các tấm carbon có vẻ hơi tẻ nhạt, nhưng San-Jose không nghĩ như vậy. “Việc đo sự gợn sóng của graphene dưới những sức căng biến đổi có thể cung cấp cho chúng ta thông tin về những chi tiết của sự ngưng tụ nội tại của trường Higgs”, ông nói.

Làm việc cùng các đồng nghiệp Francisco Guinea và Jose Gonzalez, San-Jose khẳng định đã chứng tỏ được rằng phân bố năng lượng của các gợn sóng graphene trong không gian hai chiều và phân bố năng lượng của trường Higgs trong không gian ba chiều, được mô tả bởi các thế “mũ Mexico” giống nhau. Na ná như cái mũ to vành Mexico, thế năng lượng đó bắt đầu cao ở chính giữa nhưng nhanh chóng giảm xuống cực tiểu theo mọi hướng. Độ cong âm ở tại đỉnh đảm bảo rằng sự đối xứng sẽ phá vỡ tự phát – mọi sự xê dịch khỏi chính giữa sẽ đưa hệ xuống một điểm ổn định ở vành mũ, ngay tại chỗ rìa mũ bắt đầu uốn lên trở lại.

Trong trường hợp graphene, độ cong âm là kết quả của cách thức graphene phản ứng với sự kéo căng hoặc sự nén. Trong ngành vật lí hạt, độ cong âm là kết quả của mối liên hệ giữa trường Higgs và khối lượng “trần” của boson Higgs. Để dễ thay đổi, khối lượng trần này phải là ảo – boson Higgs có được một khối lượng hiệu dụng, thực khi trường Higgs đạt tới trạng thái cơ bản bền của nó.

Theo San-Jose, việc nghiên cứu cách thức graphene phản ứng với sự nén bằng cách oằn thành các gợn sóng có thể cung cấp các manh mối về cách thức trường Higgs ngưng tụ. Những gợn sóng nhỏ, tự phát, khi không có sự nén, chẳng hạn, sẽ cho thấy rằng trường Higgs có thể ngưng tụ mà không cần một khối lượng trần ảo cho boson Higgs. Các thí nghiệm cũng sẽ khảo sát cấu trúc của thế năng lượng trong những trường hợp các gợn sóng lớn hơn, cung cấp thông tin về những chi tiết khó khăn về mặt toán học của lí thuyết trường lượng tử Higgs.

Vitor Pereira, một nhà vật lí vật chất ngưng tụ ở trường Đại học quốc gia Singapore, cảm thấy hứngthus với lời giải thích của đội người Tây Ban Nha cho cách thức những gợn sóng này phát sinh ở graphene, cái nhìn thấy qua sự tương tác giữa các electron và các lệch mạng trong cấu trúc làm mềm đi chất liệu. Ông cho rằng cấu trúc của graphene có thể điều chỉnh thông qua điều khiển các electron.

Pereira cho biết thêm rằng các tính chất của graphene có thể nhại theo những quá trình khó khăn về mặt thực nghiệm khác, thí dụ như các cặp hạt-phản hạt phát sinh như thế nào trong chân không. Mặc dù một số nhà nghiên cứu hoài nghi về độ chính xác của những mô hình của như thế, nhưng ông nghĩ ngược lại. “Thật khá đẹp là sử dụng graphene, có thể cho rằng là hệ đơn giản nhất trong các hệ vật chất ngưng tụ, làm bệ thử cho các hiện tượng ‘năng lượng cao’ phức tạp như thế”, ông nói.

Nguồn: Kate McAlpine (physicsworld.com)