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)
>> Xem Phần 1
Hơn cả những hạt mới
Nhưng ngay cả với một hạt Higgs Mô hình Chuẩn, thì vẫn còn đó những câu hỏi mở trong lí thuyết vật lí hạt cơ bản.
Nghiên cứu vật lí hạt cơ bản bao gồm ba tiền tuyến đan xen với nhau: tiền tuyến năng lượng, tiền tuyến cường độ và tiền tuyến vũ trụ. Các thí nghiệm tiền tuyến năng lượng liên quan đến sự biến đổi năng lượng thành khối lượng tại những máy va chạm hạt như LHC; các thí nghiệm tiền tuyến cường độ sử dụng những chùm hạt cường độ cao để nghiên cứu những quá trình hiếm và thực hiện những phép đo chính xác cao; các thí nghiệm tiền tuyến vũ trụ sử dụng vũ trụ làm một phòng thí nghiệm lớn và đồng thời nghiên cứu những hạt đi tới Trái đất từ những nguồn ở xa.
Công việc ở cả ba tiền tuyến nhắm một phần đến giải quyết một mâu thuẫn lớn trong lí thuyết vật lí hạt. Khối lượng của những hạt mang lực như boson Higgs, boson W và boson Z đều tương đối nhỏ, gấp từ 80 đến 125 lần khối lượng proton. Trong Mô hình Chuẩn, không có sự giải thích tại sao khối lượng của những hạt này – mỗi hạt đi cùng với một lực chi phối sự tương tác giữa các hạt – phải có những giá trị này, hoặc tại sao khối lượng hạt Higgs phải tương đương với hai hạt kia. Trên thực tế, các nhà lí thuyết cho rằng những giá trị này là “không tự nhiên” trong Mô hình Chuẩn, và các kết quả đó đòi hỏi một lời giải thích.
Các nhà lí thuyết đã đề xuất nhiều mô hình mới có thể lí giải cho những khối lượng thấp lạ thường này. Tất cả những mô hình mới này đều cần bổ sung thêm những hạt sơ cấp mới cho Mô hình Chuẩn. Bên cạnh đó, một số hạt bổ sung được dự đoán là ứng cử viên sáng giá để lấp đầy vai trò của vật chất tối, vật chất mà các nhà khoa học đã tìm thấy bằng chứng gián tiếp trong các thí nghiệm tiền tuyến vũ trụ nhưng chưa từng quan sát thấy trực tiếp.
Cho đến nay, các thí nghiệm LHC chưa tìm thấy những hạt sơ cấp bổ sung này. (Hai hạt mới kia đã được tìm thấy, ngoài boson giống-Higgs ra, là hạt ghép, chứ không phải hạt sơ cấp.) Nhưng cho dù chúng có tồn tại, thì vẫn có một trở ngại khác: Việc bổ sung thêm hạt để khắc phục vấn đề hạt Higgs nhẹ không giải thích được và vật chất tối không nhìn thấy làm phát sinh một loại rắc rối khác. Mâu thuẫn xuất hiện ở cái gọi là vật lí mùi.
Một số hạt xuất hiện ở dạng những bản sao với khối lượng khác nhau. Những dạng lặp này được gọi là mùi. Neutrino, những hạt hiếm tương tác là một đối tượng yêu thích của các thí nghiệm tiền tuyến cường độ, xuất hiện theo ba mùi. Tương tự, có ba loại lepton tích điện: electron, muon và tau. Quark, những hạt cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử, cũng xuất hiện ở những loại khác nhau: lên (up), xuống (down), duyên (charm), lạ (strange), đáy (bottom) và đỉnh (top).
Thỉnh thoảng, một hạt sẽ biến đổi từ một mùi này thành mùi kia. Dựa trên Mô hình Chuẩn, các nhà khoa học có thể dự đoán tần suất xảy ra sự biến đổi này, nếu có.
Dự đoán hiện nay của các nhà khoa học được tính toán dựa trên Mô hình Chuẩn. Nhưng nếu có cái gì đó vượt ngoài mô hình đó, một hoặc nhiều hạt chưa được khám phá, thì các nhà khoa học trông đợi tìm thấy các dự đoán Mô hình Chuẩn của họ cho sự hòa trộn mùi không khớp chính xác với các kết quả thực nghiệm của họ.
Cho đến nay, trường hợp đó chưa xảy ra. Các phép đo sự hòa trộn mùi tại các thí nghiệm tiền tuyến cường độ và các thí nghiệm tiền tuyến năng lượng – bao gồm LHCb, CMS và ATLAS – đều phù hợp tốt với các dự đoán chuẩn.
“Sự căng thẳng giữa các tiền tuyến là cái thật sự hấp dẫn,” phát biểu của Andrew Cohen, một nhà lí thuyết tại trường Đại học Boston. “Chúng tôi đang nghiên cứu bí ẩn cỡ năng lượng cơ bản này của boson W, Z và Higgs trên cả ba tiền tuyến.”
Kết quả thu từ các thí nghiệm LHC sẽ tiếp tục cung cấp những đóng góp thiết yếu hướng đến giải quyết mâu thuẫn này. Việc nghiên cứu tính chất của hạt mới giống-Higgs và tiến hành những tìm kiếm trực tiếp những hạt mới sẽ là nhiệm vụ của các thí nghiệm ATLAS và CMS. Vật lí mùi và tìm kiếm gián tiếp những hạt mới thì nghiêng về nhiệm vụ của LHCb. Theo cách riêng của mình, CMS, ATLAS và LHCb đều đang làm việc để tiến hành những phép đo mỗi lúc một chính xác hơn để kiểm tra chặt chẽ hơn đối với Mô hình Chuẩn.
Thí nghiệm ALICE có một chuyên môn hơi khác: đào sâu vào tìm hiểu hành trạng của vũ trụ sơ khai. ALICE được thiết kế để nghiên cứu sự va chạm của những ion nặng, chúng tạo ra một trạng thái rất nóng của vật chất gọi là plasma quark-gluon. Các nhà khoa học nghĩ rằng vũ trụ đã bắt đầu ở trạng thái này, một món súp nguyên thủy từ đó mọi thứ xung quanh chúng ta hình thành. Các kết quả ALICE, tương tự như kết quả thu từ những thí nghiệm LHC khác, có thể có tác động quan trọng đối với cả ba tiền tuyến của ngành vật lí hạt cơ bản.
Nhà vật lí Despina Hatzifotiadou đang xử lí một mớ dây mã màu tại máy dò hạt ALICE, một trong sáu máy dò hạt tại LHC. Ảnh: CERN
Nhiều hứa hẹn
Bắt đầu vào tháng 3 năm 2013, đợt nghỉ dưỡng dài ngày của LHC sẽ mang đến cho các nhà khoa học, kĩ sư và kĩ thuật viên cơ hội nâng cấp cỗ máy lên chạy gần mức năng lượng thiết kế của nó. Mỗi chùm hạt sẽ hoạt động ở mức 6,5 nghìn tỉ electronvolt.
Các nhà khoa học trông đợi thu thập dữ liệu từ hơn 200 triệu tỉ va chạm hạt sau khi cỗ máy hoạt động trở lại vào năm 2015. Ở những năng lượng cao hơn, họ sẽ có thể nhìn thấy nhiều sự kiện hấp dẫn hơn nữa.
“Cùng một lượng dữ liệu nhưng ở một năng lượng cao hơn thì đáng giá hơn,” phát biểu của nhà vật lí Ian Hinchliffe thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và là thành viên của nhóm hợp tác ATLAS. “Với các nâng cấp theo kế hoạch, chúng ta sẽ tăng độ nhạy của LHC lên 10 lần.”
Lí thuyết tương đối nổi tiếng của Albert Einstein phát biểu rằng năng lượng của một hạt liên hệ với khối lượng của nó; hai đại lượng là hai mặt của một đồng tiền. LHC vận dụng lí thuyết này, nó bơm các hạt lên năng lượng cao hơn và cho chúng lao vào nhau để biến đổi năng lượng đó thành khối lượng ở dạng những hạt mới.
Va chạm ở những năng lượng cao hơn có thể tạo ra những hạt nặng hơn. Ở mức 13 nghìn tỉ electronvolt, LHC sẽ có thể truy xuất một vương quốc mới của khối lượng và những trạng thái của vật chất mà trước đó chưa từng được nhìn thấy trong các máy gia tốc hạt nhân tạo.
“Việc tăng năng lượng mang lại một tầm với cao hơn nhiều, nhất là với những hạt nặng có khối lượng cao hơn,” phát biểu của nhà vật lí Andy Lankford thuộc trường Đại học California, Irvine, phát ngôn viên ủy quyền cho thí nghiệm ATLAS. “Nó cho chúng ta khả năng khai phá cái chưa biết.”
Phát ngôn viên CMS, nhà vật lí Joe Incandela đang nhìn màn hình hiển thị cập nhật liên tục những sự kiện va chạm hạt gần đây trong phòng điều khiển CMS. Ảnh: CERN
Tương lai năng lượng cao
Sự khám phá tại LHC chỉ vừa mới bắt đầu.
“Có nhiều lí do để hào hứng trong 5 đến 10 năm tới và xa hơn nữa,” phát biểu của nhà vật lí Joe Incandela thuộc trường Đại học California, Santa Barbara, phát ngôn viên CMS.
Qua những nghiên cứu thận trọng, các nhà khoa học sẽ xác định những tính chất của hạt mới, giống-Higgs. Họ sẽ biết Mô hình Chuẩn có là đúng hay cần phải sửa đổi. Và họ sẽ có cơ hội tìm ra cái bất ngờ.
Tự nhiên chắc chắn còn có nhiều bí ẩn để các nhà khoa học khai phá, và một khi máy gia tốc LHC bắt đầu chạy ở gần mức năng lượng đầy đủ của nó vào năm 2015, các nhà nghiên cứu sẽ có những công cụ tốt hơn nữa để tìm kiếm nền vật lí mới.
“Chúng ta đang mới bắt đầu thôi,” phát biểu của Aleandro Nisati, người lãnh đạo các nghiên cứu của nhóm ATLAS về việc các nâng cấp LHC sẽ mở rộng tiềm năng của các phân tích vật lí như thế nào. “Đây là một chương mới, quan trọng trong ngành vật lí năng lượng cao.”
>> Xem Phần 1
Trần Nghiêm dịch
