Các thí nghiệm tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) đã có một khám phá lớn, nhưng cỗ máy va chạm hạt năng lượng cao nhất thế giới chỉ mới hoạt động ở giai đoạn đầu mà thôi.
- Ashley WennersHerron và Kathryn Jepsen (SymmetryMagazine)
Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC), cỗ máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới, đã bắt đầu cho các hạt va chạm từ hơn ba năm về trước. Kể từ đó, các nhà khoa học đã công bố hơn 700 bài báo mô tả chi tiết kiến thức họ thu được tại tiền tuyến của ngành vật lí nghiên cứu hạt cơ bản.
Không nghi ngờ gì nữa, mảng kiến thức quan trọng nhất từ trước đến nay là việc khám phá ra cái sẽ là boson Higgs đã tìm kiếm bấy lâu nay. Hạt này được cho là phát sinh từ sự thăng giáng của “trường Higgs” không nhìn thấy tràn ngập trong vũ trụ, truyền khối lượng cho những hạt tương tác với nó. Không có trường Higgs, thế giới chúng ta sẽ là một nơi khác đi rất nhiều.
Cho dù đang phấn khởi trước khám phá đó, nhưng hàng nghìn nhà khoa học – hơn 1800 người trong số đó làm việc ở Mĩ – vẫn đang tiếp tục phần công việc quan trọng là phân tích nguồn dữ liệu mới thu dồi dào như nước lũ đổ về những máy dò hạt của họ.
Vẫn còn nhiều cái cần tìm hiểu về hạt mới giống-Higgs. Và vẫn còn một vùng đất rộng lớn hơn nhiều để xông pha tìm kiếm nền vật lí mới. LHC sẽ mở rộng đột ngột tầm với của nó khi các nhà khoa học nâng năng lượng của nó từ 4 nghìn tỉ lên 6,5 nghìn tỉ electronvolt vào năm 2015.
Máy Va chạm Hadron Lớn. Ảnh: CERN
Hơn cả khám phá
Trong LHC, các nam châm siêu dẫn lái hai chùm proton theo hai hướng ngược nhau trong một vành đai dài 27 km nằm sâu 90 m bên dưới vùng biên giới giữa Thụy Sĩ và Pháp. Hai chùm tia có đường đi cắt nhau tại bốn điểm trên vành đai đó. Khi một proton từ chùm này va chạm với một proton từ chùm kia, thì năng lượng va chạm có thể biến đổi thành khối lượng, tạo ra những hạt mới tồn tại trong khoảnh khắc.
Những hạt nặng sinh ra trong các va chạm là không bền và nhanh chóng phân hủy thành những hạt nhẹ hơn, để lại cả một “vườn bách thú” hạt cho các nhà khoa học nghiên cứu.
Kể từ khi LHC đi vào hoạt động, các thí nghiệm ATLAS, CMS, LHCb và ALICE – cùng với các thí nghiệm nhỏ hơn TOTEM và LHCf – đã khám phá ra tổng cộng ba hạt.
“Tại LHC, đèn đường chỉ mới được bật lên, và lúc này chúng ta đã có thể nhìn thấy dưới một số cột đèn rồi,” phát biểu của John Ellis, một nhà lí thuyết và là giáo sư tại trường King’s College London. “Cuối cùng, những hồ ánh sáng đó sẽ hòa nhập lại và chúng ta sẽ có thể nhìn thấy mọi thứ.”
Vào tháng 12 năm 2011, một trong những ngọn đèn đó đã làm sáng tỏ cái mới mẻ. Nhóm hợp tác ATLAS công bố khám phá hạt đầu tiên tại LHC – một quark và một phản quark liên kết với nhau gọi là Chi-b(3P). Mặc dù nó đã được dự đoán trước nhiều năm, nhưng cần có tốc độ va chạm cao ở LHC mới làm nó lộ diện. Các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu nó để tìm hiểu quark và phản quark liên kết với nhau như thế nào qua lực hạt nhân mạnh, lực làm cho hạt nhân nguyên tử bám dính với nhau.
Nhóm hợp tác CMS tìm thấy ánh đèn sân khấu chỉ vài tháng sau đó, vào tháng 5 năm 2012, khi họ công bố khám phá ra baryon Xi(b)* kích thích, một hạt gồm ba quark, trong đó có một quark bottom (quark đáy). Các nhà khoa học vẫn đang phân tích hạt này; nghiên cứu của họ có thể làm sáng tỏ kiến thức mới về cách thức quark liên kết với nhau.
Và sau đó, vào tháng 7 năm 2012, cả hai nhóm CMS và ATLAS cùng công bố khám phá ra một hạt mới có khả năng là boson Higgs.
Việc tìm kiếm những hạt mới chỉ là một chức năng của các thí nghiệm LHC. Bây giờ các nhà khoa học đã vén màn những hạt mới, họ còn có một trọng tâm khác – đó là tìm hiểu thêm về chúng.
Ví dụ, hạt mới giống-Higgs có vẻ đáp ứng ít nhất là vai trò tối thiểu của boson Higgs, vì nó tương tác với các hạt theo kiểu ít nhiều như trông đợi. Nhưng việc quan sát những tính chất của hạt mới – spin của nó, tính chẵn lẻ và các tương tác chi tiết – có thể cho biết nó là một loại Higgs khác với hạt được tiên đoán bởi Mô hình Chuẩn, lí thuyết được dùng để giải thích sự cấu tạo và tương tác của các hạt và các lực trong vũ trụ của chúng ta.
Nếu hóa ra hạt đó không phải là boson Higgs Mô hình Chuẩn, thì các nhà khoa học sẽ biết rằng có những hiện tượng mới có mô tả có thể đòi hỏi những nguyên lí nền tảng mới. Một mô hình thay thế được nghiên cứu nhiều là cái gọi là lí thuyết siêu đối xứng. Nó cho rằng mỗi hạt thuộc Mô hình Chuẩn có một đối hạt có liên quan, nặng hơn. Trong mô hình này và những mô hình khác, sẽ có nhiều hơn một boson Higgs. Có khả năng boson Higgs được cấu tạo từ những hạt khác, nhỏ hơn nữa. Hoặc có khả năng hạt Higgs tồn tại trong nhiều hơn ba chiều không gian của chúng ta.
“Chúng ta có khả năng đang khảo sát một khuôn khổ mới,” phát biểu của Joao Varela, nhà vật lí phát ngôn ủy quyền của nhóm CMS. “Nó có thể không phải là Mô hình Chuẩn hay thậm chí không phải là siêu đối xứng. Nó có thể là cái gì đó hoàn toàn khác.”
Ngược lại, nếu hạt Higgs hóa ra là hạt mà các nhà khoa học trông mong tìm kiếm, thì các nhà vật lí cuối cùng sẽ phát hiện ra được mỗi mảnh ghép đã được dự đoán trong Mô hình Chuẩn.
Trần Nghiêm dịch
Theo Symmetry Magazine
