Trường Higgs cung cấp khối lượng cho các hạt sơ cấp, nhưng phần lớn khối lượng của chúng ta có từ nguồn gốc khác.
Câu chuyện khối lượng hạt bắt đầu ngay sau Vụ nổ Lớn (Big Bang). Trong những thời khắc rất sớm của vũ trụ, hầu như toàn bộ các hạt đều không có khối lượng, truyền đi ở tốc độ ánh sáng trong một “nồi súp nguyên thủy” cực kì nóng. Vào một lúc nào đó trong thời kì này, trường Higgs xuất hiện, tràn ngập vũ trụ và cung cấp khối lượng cho các hạt sơ cấp.
Trường Higgs làm biến đổi môi trường khi nó xuất hiện, làm thay đổi phương thức hành xử của các hạt. Một số phép ẩn dụ được sử dụng nhiều nhất so sánh trường Higgs với một bể mật ong hay si-rô, nó làm một số hạt chuyển động qua đó bị chậm lại.
Những ẩn dụ khác thì hình dung trường Higgs như một đám đông tại bữa tiệc hay một lũ paparazzi. Khi các nhà khoa học danh tiếng hay các ngôi sao hạng A bước qua, người ta vây quanh họ, làm họ đi chậm lại, còn những gương mặt ít nổi tiếng hơn thì cứ việc đi qua đám đông mà không bị soi mói gì. Trong những trường hợp này, số đông đồng nghĩa với khối lượng – bạn càng nổi tiếng, thì bạn sẽ vướng phải đám người đông hơn, và bạn sẽ càng “nặng kí”.
Nhưng tại sao trường Higgs xuất hiện? Tại sao một số hạt tương tác với trường Higgs nhiều hơn những hạt khác? Câu trả lời ngắn gọn là: Chúng ta không biết.
“Đây là một phần lí do tại sao việc tìm kiếm trường Higgs chỉ vừa mới bắt đầu thôi – bởi vì chúng ta có cả tấn câu hỏi”, phát biểu của Matt Strassler, một nhà vật lí lí thuyết tại khoa vật lí Đại học Harvard.
Lực tương tác mạnh và bạn
Trường Higgs cấp khối lượng cho các hạt sơ cấp – electron, quark và các viên gạch cấu trúc khác không thể phá vỡ thành những bộ phận nhỏ hơn. Nhưng những hạt này chỉ chiếm một phần rất nhỏ của khối lượng vũ trụ.
Phần khối lượng còn lại đến từ proton và neutron, chúng thu được hầu hết khối lượng của chúng từ lực hạt nhân mạnh. Mỗi hạt này gồm ba quark chuyển động ở tốc độ cao liên kết với nhau bởi các gluon, các hạt mang lực mạnh. Năng lượng của tương tác này giữa các quark và gluon là cái gây ra khối lượng cho proton và neutron. Hãy nhớ công thức E = mc2 nổi tiếng của Einstein, hệ thức tương đương giữa năng lượng và khối lượng. Công thức đó biến khối lượng thành một cơ sở lưu trữ bí ẩn cho năng lượng.
“Khi bạn nhóm ba quark lại để tạo ra một proton, là bạn làm hình thành một mật độ năng lượng khổng lồ trong một vùng nhỏ trong không gian,” phát biểu của nhà vật lí John Lajoire tại Đại học Iowa.
Mỗi proton gồm hai quark up (lên) và một quark down (xuống); mỗi neutron gồm hai quark down và một quark up. Thành phần tương tự của chúng làm cho khối lượng mà chúng thu được từ lực mạnh gần như y hệt nhau. Tuy nhiên, neutron nặng hơn proton một chút – và sự khác biệt này là quan trọng. Quá trình neutron phân hủy thành proton xúc tiến hoạt động hóa học, và từ đó, hoạt động sinh học. Nếu proton nặng hơn, thì chúng sẽ phân hủy thành neutron, và vũ trụ mà chúng ta biết sẽ không tồn tại.
“Hóa ra các quark down tương tác với trường Higs mạnh hơn, vì thế chúng có khối lượng nặng hơn một chút,” phát biểu của nhà vật lí lí thuyết Andreas Kronfeld tại Fermilab. Đây là lí do tại sao tồn tại sự chênh lệch nhỏ giữa khối lượng proton và neutron.
Nhưng còn các neutrino thì sao?
Chúng ta đã biết rằng các hạt sơ cấp có được khối lượng từ trường Higgs – nhưng khoan đã! Có thể có một ngoại lệ: các neutrino. Neutrino thuộc một họ riêng chúng; chúng có khối lượng cực kì nhỏ (một triệu lần nhỏ hơn khối lượng electron, hạt nhẹ thứ hai), và trung hòa điện và hiếm khi tương tác với vật chất.
Các nhà khoa học bị thách đố trước câu hỏi tại sao các neutrino lại nhẹ như thế. Các nhà lí thuyết hiện đang xem xét nhiều khả năng. Nó có thể giải thích là các neutrino là phản hạt riêng của chúng – nghĩa là phiên bản vật chất y hệt với phiên bản vật chất. Nếu các nhà vật lí khám phá trường hợp này đúng, thì nó có nghĩa là neutrino có được khối lượng của chúng từ cái gì đó ngoài boson Higgs, hạt được các nhà vật lí khám phá hồi năm 2012.
Các neutrino phải thu khối lượng của chúng từ một trường tương tự-Higgs, nó trung hòa điện và tràn ngập toàn bộ vũ trụ. Trường này có thể giống trường Higgs cấp khối lượng cho các hạt sơ cấp khác, nhưng nó có thể là một họ hàng rất xa. Trong một số lí thuyết, khối lượng neutrino còn xuất xứ từ một nguồn gốc khác có thể giữ manh mối trả lời cho những bí ẩn vật lí hạt tồn tại dai dẳng khác.
“Người ta có xu hướng hào hứng trước khả năng này bởi vì nó thể được lí giải là bằng chứng cho một cấp độ năng lượng mới, không liên quan gì với hiện tượng Higgs,” phát biểu của nhà vật lí lí thuyết hạt sơ cấp André de Gouvêa tại Đại học Northwestern.
Cơ chế mới này cũng có thể liên quan đến cách vật chất tối thu được khối lượng của nó.
“Tự nhiên có xu hướng tiết kiệm, vì thế có khả năng tập hợp hạt mới đó giải thích được toàn bộ những hiện tượng kì lạ này mà chúng ta chưa giải thích được cho đến nay,” de Gouvêa nói.
Nguồn: Symmetry Magazine
