Những va chạm hạt
Cuối cùng LHC đã cho các proton va chạm ở mức 900 GeV vào hôm 23 tháng 9 2009, với hai máy dò hạt – ATLAS và CMS – ghi lại những sự kiện ban đầu đó. Bốn tháng sau, các nhà điều hành đã cho nâng dần năng lượng chùm hạt lên 3,5 TeV, thu được những va chạm ở mức 7 TeV – nhưng ở cường độ thấp. Rút kinh nghiệm trước thảm họa 2008, các nhà nghiên cứu trở nên nhẫn nhục khai thác chỉ một nửa năng lượng thiết kế ban đầu của LHC. “Đã đến lúc làm một số nghiên cứu vật lí rồi,” tổng giám đốc mới Rolf-Dieter Heuer phát biểu, và việc tiến hành mọi sửa chữa cần thiết cùng một lúc sẽ làm trễ khâu khởi động nghiên cứu trong ít nhất một năm nữa. Đề phòng một thảm họa thứ hai, các nhà vật lí và kĩ sư máy gia tốc CERN đứng đầu là Steve Myers đã tập trung vào cải thiện độ tin cậy của cỗ máy va chạm và chuẩn bị cho đợt chạy năm 2011.
Đầu cuối máy dò hạt khổng lồ CMS. (Ảnh: CERN)
Máy dò hạt khổng lồ, kích thước bằng cả thánh đường, nặng 7000 tấn, ATLAS, và máy dò hạt CMS 12.500 tấn đã được kiểm tra kĩ lưỡng và sẵn sàng bắt tay vào thu thập dữ liệu trong những tầng hầm lớn dưới lòng đất của chúng. Sự hoạt động đó đã thỏa lòng mong mỏi của cả hai nhóm hợp tác gồm 3000 thành viên – nhất là các nghiên cứu sinh tiến sĩ và nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ, đây là lần đầu tiên nhiều người trong số họ có trải nghiệm thực tế với một thí nghiệm vật lí hạt sống động. Hai máy dò hạt đa năng này đã được tối ưu hóa để đặc biệt nhạy với những hạt nặng như boson Higgs và những hạt khác mà người ta trông đợi có mặt trong các lí thuyết siêu đối xứng. Cả hai đều có độ phân giải năng lượng và động lượng tuyệt vời (khoảng 1 – 2 %) đối với electron, muon và photon. Mặc dù người ta trông đợi boson Higgs thiên về phân hủy thành những cặp quark đáy (bottom) hay boson W, nhưng phần lớn sẽ ảnh hưởng đến các máy dò dưới dạng những tia hadron, nên những mode phân hủy này có khả năng sẽ bị chôn vìu dưới phông nền lộn xộn gấp hàng tỉ lần – và do đó gần như không thể nào khai quật nổi. Bằng cách tập trung vào những phân hủy hiếm trong đó những lepton hay photon này xuất hiện, các nhà nghiên cứu có hi vọng nhiều hơn với việc tìm ra một dấu hiệu nào đó.
Sự thu thập dữ liệu nghiêm túc bắt đầu trong năm 2011, khi các nhà điều hành cho tăng dần độ rội, và các va chạm proton bắt đầu diễn ra. Đã có những cảnh báo sai lầm và phản ứng quá khích từ giới blogger, phóng viên báo chí và những kẻ săn tin khác trong suốt năm 2011. Nhóm của Sau Lan Wu tại trường Đại học Wisconsin, chẳng hạn, đã cho lưu hành một bản báo cáo nội bộ vào cuối tháng 4 rằng có khả năng một boson Higgs 115 GeV đã phân hủy thành một bộ đôi photon năng lượng cao; tin tức nhanh chóng rò rỉ trên các blog và truyền đi khắp nơi, buộc các nhà nghiên cứu phải bỏ nghỉ lễ Phục sinh để kiểm tra. Theo phát ngôn viên CMS Guido Tonelli, chính “cục u Phục sinh” này đã giúp tập trung sự chú ý của các đồng sự của ông vào kênh phân hủy hiếm nhưng (sớm trở nên) quan trọng này. Tuy nhiên, hiệu ứng tỏ ra là một thăng giáng ngẫu nhiên và đã bị bác bỏ vào đầu tháng 5 sau khi có thêm dữ liệu mới.
Người ta kháo nhau rằng các sự kiện boson Higgs tiềm năng có thể được công bố tại các hội nghị vật lí trong mùa hè năm 2011. Các thí nghiệm ATLAS và CMS cho thấy sự dư thừa khiêm tốn của những sự kiện giữa 115 và 145 GeV nhưng ít có giá trị công bố. CERN có thể bác bỏ khối lượng Higgs xuống tới 145 GeV và ngoài 177 GeV, cải thiện đáng kể so với các giới hạn do Fermilab nêu ra. Boson Higgs đang bị dồn vào chân tường ẩn náu. Nếu nó thật sự tồn tại, thì nó phải nằm trong một ngưỡng khối lượng đang thu hẹp dần giữa 114 GeV và 145 GeV.
Trận lụt dữ liệu
Màu thu năm ấy, các nhà điều hành LHC tăng dần độ rọi của nó lên những độ cao mới. Vào cuối đợt chạy năm 2011, cả hai thí nghiệm đều đã tích góp gần được một nửa cái do các thí nghiệm Fermilab thu về trong thập niên trước đó – và ở năng lượng cao gấp 3,5 lần. Các sự kiện ngập lụt hầu như quá nhanh để ghi lại. Và một phần nhỏ trong số chúng trông giống hệt như cái được trông đợi cho một boson Higgs với khối lượng gần 125 GeV. Trong một cỗ máy va chạm proton như LHC, cơ chế sản sinh chủ yếu cho một hạt như thế là “nhiệt hạch gluon”, trong đó các gluon trong hai proton đang va chạm hợp nhất lại tạo thành một boson Higgs, nó nhanh chóng vỡ ra chủ yếu thành hai quark đáy, trạng thái cuối cùng nặng nhất có thể đo được. Nhưng tín hiệu đó sẽ bị chôn vùi dưới cả một dãy núi nhiễu khổng lồ, nặng nề; do đó rất khí trích xuất ra tín hiệu, vì độ phân giải năng lượng thấp của máy dò hạt đối với các tia hadron.
Do đó, thay vậy, các nhà săn tìm Higgs ATLAS và CMS đã tập trung vào những trạng thái cuối cùng với hai photon hoặc bốn lepton tích điện (electron hoặc muon), với chúng họ thật sự có độ phân giải năng lượng tốt vè có thể quan sát mọi sản phẩm phân hủy. Mặc dù đây là những mode phân hủy hiếm, xảy ra với xác suất chưa tới 1%, nhưng cực đại hẹp thu được từ đồ thị của những sự kiện như thế theo năng lượng toàn phần của chúng (hay, chính xác hơn, bất biến khối lượng) sẽ nổi rõ trên đường trơn liên tục của các sự kiện nền hai photon và bốn lepton. Và điều có vẻ như đã thật sự xảy ra – nhất là với trạng thái cuối cùng hai photon, với chúng cả hai thí nghiệm chứng kiến hơn 70 sự kiện dư thừa gần mức 125 GeV. Ngoài ra, các nhà vật lí ATLAS còn khai quật một vài sự kiện bốn lepton nữa ở cùng mức năng lượng đó, trong khi CMS tìm thấy một sự dư thừa tương tự gần mức 120 GeV. Một cái gì đó mới và na ná như hạt Higgs đang xảy ra trong vùng phụ cận này.
CERN đã thận trọng công bố những kết quả sơ bộ này trong hai seminar hôm 13 tháng 12 2011, được xem trực tuyến bởi hàng nghìn nhà vật lí hạt và nhà báo khoa học trên khắp thế giới. Người ta hi vọng nhiều, vì tin tức đồn đại rằng một khám phá sắp được công bố trong tuần sau đó. Nhưng chẳng ai khẳng định một khám phá nào. “Chúng tôi đã ràng buộc vùng khối lượng có khả năng nhất cho boson Higgs đến 116 – 130 GeV, và trong vài tuần cuối chúng tôi đã bắt đầu thấy một sự dư thừa khoảng 125 GeV,” phát ngôn viên ATLAS Fabiola Gianotti lưu ý. Tonelli tán thành với nhận xét của bà, thừa nhận rằng các nhà vật lí CMS “không thể loại trừ sự có mặt của Higgs Mô hình Chuẩn giữa 115 và 127 GeV do sự dư thừa khiêm tốn của những sự kiện trong vùng khối lượng này.”
Cái mới và khác biệt hẳn lần này là cách ATLAS và CMS chứng thực cho nhau, tiết lộ những cực đại nổi bật bắt đầu hiện ra gần 125 GeV. Ngoài ra, thí nghiệm CMS còn tìm thấy những sự kiện giống-Higgs trong một vài mode phân hủy khác với tốc độ khoảng như trông đợi. Khi phân tích kết hợp của hai thí nghiệm này được công bố vào tháng 2 sau đó, cả thí nghiệm ATLAS và CMS đều khẳng định đã quan sát những hiệu ứng tốt hơn 3σ gần mức 125 GeV. Nhưng sau khi phân tích thêm dữ liệu, ý nghĩa thống kê rơi xuống dưới mức công bố tại Hội nghị Moriond tháng 3/2012 ở La Thuile, Italy. Và khi “hiệu ứng nhìn tùm lum” được tính đến, thì ý nghĩa thống kê giảm xuống ngay dưới mức 2σ. Đây là những kết quả chưa chắc chắn cho lắm.
Giảm nhưng chưa hết, các nhà vật lí CDF và D0 – nhiều người trong số họ làm việc trong thí nghiệm ATLAS và CMS – đang chuẩn bị trở lại sân khấu. Sử dụng những kĩ thuật phức tạp, họ đã phân tích lại cả hai cơ sở dữ liệu đầy đủ của họ, cố gắng lọc ra mỗi sự kiện boson Higgs có thể có. Tevatron đặc biệt hiệu quả ở việc tạo ra những sự kiện “sinh phụ” trong đó một quark bên trong một proton hợp nhất với một phần quark từ một phản proton đang va chạm tạo ra một hạt W hoặc Z cộng với một boson Higgs. Các nhà vật lí CDF và D0 đã tìm kiếm những sự kiện trong đó hạt W hoặc Z phân hủy thành một cặp lepton dễ nhận dạng và boson Higgs thành hai tia quark đáy; trong những sự kiện như thế họ có cơ hội tốt hơn lọc một tín hiệu giống-Higgs ra khỏi nền nhiễu. Và thật vậy, họ đã thành công.
Sau tháng 3/2012, chỉ một ngưỡng nhỏ khối lượng giữa 116 GeV và 127 GeV là chưa bị loại trừ bởi các thí nghiệm Tevatron và LHC.
Tại hội nghị Moriond, cả hai thí nghiệm Tevatron đều tiết lộ dữ liệu mới với những chỗ nhô rộng giữa 110 GeV và 140 GeV. Kết hợp thành một kết quả chung, dữ liệu CDF và D0 có một sự dư thừa 2,2σ nổi lên giữa 115 GeV và 135 GeV, được trông đợi nhất cho một boson Higgs 125 GeV phân hủy thành quark đáy; nhưng các sự kiện phân bố trên một ngưỡng khối lượng rộng hơn do độ phân giải năng lượng nghèo nàn của các máy dò hạt đối với các tia hadron. Những số liệu Fermilab này rõ ràng đã củng cố thêm các kết quả CERN 2011.
Cuộc đua sắp kết thúc
Có vẻ như boson Higgs hay lảng tránh cuối cùng đã bị dồn vào chân tường. Trong khi không có một kết quả riêng lẻ nào có đủ sức thuyết phục, thì bốn thí nghiệm độc lập nhau đã chứng kiến sự thừa mức nổi bật trong vùng lân cận 125 GeV. Và sự phân hủy của cái chưa biết đó hóa ra ăn khớp tuyệt vời với các mô tả Mô hình Chuẩn cho một boson Higgs (nhưng với ý nghĩa thống kê vừa phải). Hơn nữa, những ràng buộc gián tiếp đối với một hạt như thế dựa trên những phép đo chính xác đã đề xuất từ lâu rằng một boson Higgs khối lượng thấp thật ra là nên tồn tại.
Một số nhà vật lí bị thuyết phục rằng hạt Higgs thật sự đã được khám phá. “Tôi sẵn sàng cược một năm tiền lương của mình!”, Nima Arkani-Hamed thuộc Viện nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, New Jersey, phát biểu tỏng một cuộc thảo luận bàn tròn hồi tháng 3. Gordon Kane, một đồng tác giả của tập sách kinh điển hồi thập niên 1990, Hướng dẫn săn tìm hạt Higgs, cũng nghĩ thế. “Khi bạn có bốn tín hiệu độc lập, chúng hầu như không bao giờ nhầm lẫn được,” ông tranh luận tại hội nghị báo chí hồi tháng 4, ông đề xuất rằng người ta có thể thu được một kết quả 5σ chỉ bằng cách kết hợp toàn bộ số liệu từ bốn thí nghiệm đó. Nhưng Kane cũng có một cái rìu lí thuyết rõ ràng để mài giũa, ông là đồng tác giả của một bài báo đăng vào tháng 12 trước đó, chỉ vài ngày trước seminar của CERN, dự đoán một boson Higgs 122–129 GeV dựa trên những xét đoán lí thuyết dây và siêu đối xứng.
Tuy nhiên, các nhà thực nghiệm cẩn trọng, cảnh giác trước chặng đường xa dữ liệu còn phía trước, cho rằng mọi người nên hít thở sâu và ngồi yên chờ đợi cho đến sau đợt chạy LHC trong năm nay, nó đã bắt đầu hồi tháng 4 với các proton và chạm ở mức 8 TeV và các nhà điều hành LHC đang nhắm tới tăng gấp đôi độ rọi. Vào cuối năm 2012, các viên chức CERN dự đoán, các nhà vật lí ATLAS và CMS sẽ có câu trả lời cuối cùng – và có thể đặt dấu chấm hết cho sự chờ đợi dài ngày, mỏi mòn của Peter Higgs.
Và sự chờ đợi của ông hóa ra đã được rút ngắn, khi khám phá chính thức một hạt giống-Higgs gần mức 125 GeV đã được công bố hôm 4 tháng 7 vừa qua. Cuộc săn tìm boson Higgs kéo dài hàng thập kỉ cuối cùng đã sắp kết thúc.
Michael Riordan (Physics World, tháng 10/2012)
Trần Nghiêm dịch
