Hạt Higgs là boson, nhưng nó thuộc loại nào?

(Thuvienvatly.com) - Con sốt ngày 4/7 đã qua đi, và có lẽ đã đến lúc chúng ta nên bình tĩnh suy xét lại những kết quả mà cộng đồng vật lí vừa mới khám phá ra.

Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) đã phát hiện ra boson Higgs – hay ít nhất là cái gì đó giống như hạt Higgs. Tổng giám đốc CERN Rolf-Dieter Heuer đã rất thận trọng khi mô tả hạt mới tìm thấy, nó có khối lượng khoảng 125 GeV/c², là một “boson vô hướng cơ bản”. Tuy nhiên, ngay cả phần vô hướng của mô tả đó – cái cho thấy hạt có spin zero – cũng không hoàn toàn rõ ràng.

Để biết nhiều hơn về hạt mà họ vừa tìm thấy, các nhà vật lí CERN cần có thêm dữ liệu và thời gian. Do đó, hôm 4/7, Heuer đã công bố rằng LHC sẽ chạy trong ba tháng nữa trước khi nó ngừng chạy để bảo dưỡng theo lịch định vào tháng 12/2012 để cho phép các nhà vật lí làm công việc đó. Theo Bill Murray ở CERN, hiệu suất làm việc của một máy gia tốc và những thí nghiệm đi cùng với nó thường tăng lên vào cuối kì chạy, nghĩa là các nhà vật lí có thể trông đợi nhiều dữ liệu chất lượng hơn trước khi LHC tạm thời ngừng hoạt động vào đầu năm 2013.

Các nhà vật lí trong khán phòng chính của CERN lắng nghe công bố kết quả mới nhất từ Máy Va chạm Hadron Lớn. (Ảnh: CERN)

>>Xem thêm:

Những phép đo chính xác

LHC tạo ra hạt Higgs trong các va chạm proton-proton, với các thí nghiệm khổng lồ ATLAS và CMS phát hiện ra các hạt sản phẩm khi hạt Higgs phân hủy. Sự phân hủy này xảy ra theo một số cách – hay một số “kênh”- khác nhau, và bằng cách nghiên cứu những phân hủy này xảy ra như thế nào, các nhà vật lí sẽ có bức tranh tốt hơn của cái họ đã phát hiện.

Đa phần dữ liệu đóng góp cho khám phá mới đến từ cái gọi là những phép đo chính xác, theo đó hạt Higgs hoặc phân hủy thành hai photon (kênh lưỡng photon) hoặc phân hủy thành hai boson Z (ZZ). Vì toàn bộ những sản phẩm phân hủy ở cả hai kênh này đều có thể phát hiện ra, nên các nhà vật lí có thể tính ra khối lượng của hạt Higgs rất chính xác.

Nhưng cũng có một số kênh khác trong đó không phải sản phẩm phân hủy nào cũng có thể được phát hiện. Những kênh này khó xử lí hơn vì một số thông tin về sự phân hủy đó bị mất mát, do đó khối lượng tính toán dựa trên những kênh này cho giá trị không chính xác.

Hôm 4/7, cả hai đội ATLAS và CMS đều báo cáo rằng các kết quả lưỡng photon và ZZ của họ đủ để đưa cả hai thí nghiệm lên mức thần kì 5σ thường được xem là mức khám phá trong ngành vật lí hạt cơ bản. ATLAS đã chọn không đưa ra kết quả từ những kênh khác, kém chính xác hơn, còn CMS thì công bố cụ thể - nên ý nghĩa thống kê của kết quả của họ giảm xuống còn 4,9σ.

Nằm ngoài Mô hình Chuẩn?

Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt mô tả cách hạt Higgs phân hủy qua những kênh khác nhau; cho nên bằng cách so sánh những dự đoán này với cách phân hủy thật sự xảy ra trong LHC, các nhà vật lí có thể biết được họ có đang làm gì với một hạt Higgs Mô hình Chuẩn hay không. Cho đến nay, các kết quả phù hợp với một hạt Mô hình Chuẩn, với tất cả các kênh đều vạch Mô hình Chuẩn bên trong cột sai số.

Tuy nhiên, thật bất ngờ, số lượng sự kiện trong kênh lưỡng photon của CMS lẫn ATLAS tiếp tục lớn hơn trông đợi khi có thêm nhiều dữ liệu được thu thập. Sự vượt mức này, do đó, có thể là kết quả của “nền vật lí mới” nằm ngoài Mô hình Chuẩn, ví dụ như một hạt tích điện mới, sự tồn tại một quần chủng Higgs, hay có lẽ là những hiệu ứng “siêu đối xứng” – quan điểm cho rằng tất cả các hạt có “siêu đối hạt” với những tính chất spin rất khác.

Thiếu bằng chứng

Trong khi có sự dư thừa những sự kiện lưỡng photon trong dữ liệu LHC, thì một câu chuyện khác là hạt Higgs có thể phân hủy thành hai boson W – kênh WW. Các lí thuyết thông thường về hạt Higgs dự đoán rằng kênh này sẽ được LHC nhìn thấy, nhưng cho đến nay số lượng sự kiện được báo cáo là thấp hơn nhiều so với dự tính. Thật vậy, nếu kênh này không tồn tại, thì một sự cải tổ lại của lí thuyết vật lí hạt có thể đã ở trước mắt, đó có thể là lí do khiến nhiều nhà vật lí tại CERN tin rằng sự thiếu hụt WW không phải là có thật mà đơn giản đó là kết quả của thực tế là kênh WW rất khó đo.

Nhưng nếu thật sự có một sự thiếu hụt ở kênh WW, thì nó có thể cho thấy rằng hạt mới có lẽ không phải là một boson vô hướng với spin zero. “Tìm kiếm WW được thiết kế để săn tìm một hạt spin-0 [vô hướng]”, Bill Murray, một thành viên của nhóm ATLAS, thừa nhận. “Chúng không xét khả năng nó có thể là spin-2”. Mặc dù các thí nghiệm tại Tevatron ở Fermilab đã bác bỏ spin-2 (và spin-1 cũng bị bác bỏ bởi dữ liệu lưỡng photon), nhưng các nhà vật lí vẫn nghi ngờ khả năng hạt mới này không phải là một boson vô hướng.

Daniela Bortoletto thuộc trường Đại học Purdue ở Mĩ, một thành viên của đội CMS, trình bày rằng các kênh trong đó hạt Higgs phân hủy thành một cặp lepton tau hoặc một cặp hạt-b cũng dường như bị thiếu sự kiện. Biết rằng hạt tau và hạt-b đều là fermion, Bortoletto cho biết nếu những sự thiếu hụt này vẫn xuất hiện khi có thêm nhiều dữ liệu được thu thập, thì nó có nghĩa là hạt Higgs tương tác khác nhau với fermion và với boson.

Tuy nhiên, Murray cho biết sự thiếu hụt đó có thể hướng đến một “mô hình hỗn hợp” của fermion hoặc boson kết hợp với hạt Higgs, các kênh tau-tau và b-b rõ ràng sẽ có lợi thế từ lần chạy kéo dài ba tháng sắp tới. Thật vậy, đa số các nhà vật lí có mặt tại CERN hôm 4/7 đều tin rằng vào cuối đợt chạy tới họ sẽ có quan điểm tốt hơn nhiều rằng họ đã có một hạt Higgs Mô hình Chuẩn hay không.

Viễn cảnh tương lai

Nhưng một phép đo quan trọng mà LHC sẽ không thể thực hiện cho đến khi nó được nâng cấp để cho va chạm proton ở mức 14 TeV – thay cho 8 TeV hiện nay – là “sự tự tương tác” của boson Higgs. Đó là cách hai hạt Higgs hành xử khi chúng gặp nhau – cái sẽ chỉ nhìn thấy ở những năng lượng va chạm cao hơn trong đó hai hạt Higgs có thể được tạo ra. “Một câu hỏi quan trọng là bạn có cần đo sự tự tương tác đó hay không trước khi bạn có thể nói mình thật sự đã có hạt Higgs?” Murray nói. Sự nâng cấp 14 TeV của LHC có khả năng không thể hoàn thành trước cuối năm 2014 (thời điểm sớm nhất), cho nên tranh cãi có lẽ sẽ tiếp tục.

Trước thời điểm đó, mọi con mắt chắc chắn sẽ đổ dồn xem ai, nếu có, sẽ giành giải Nobel cho khám phá trên. Peter Higgs – người có tên đặt cho hạt boson – miễn cưỡng có mặt tại cuộc họp báo hôm 4/7 cho xôm tụ, ông luôn cho rằng ông không phải là người duy nhất nghĩ ra những quan điểm cốt lõi dẫn tới sự tiên đoán boson Higgs hồi đầu thập niên 1960. Phát biểu với tạp chí Physics World, ông nói ít nhất có năm nhà lí thuyết khác – bao gồm Robert Brout, François Englert, Gerald Guralnik, Carl Hagen và Tom Kibble – cũng đáng được nhắc tới. Nhưng biết rằng ủy ban Nobel có thể trao giải thưởng vật lí cho không quá ba người mỗi năm, nên việc lựa chọn chắc chắn sẽ đau đầu rồi đây.

Trần Nghiêm – Thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com