Ngay sau Vụ Nổ Lớn, trong vũ trụ chỉ có một lực. Khi vũ trụ nguội đi, nó tách thành bốn lực của vũ trụ ngày nay: lực hấp dẫn, lực hạt nhân yếu và lực hạt nhân mạnh, và lực điện từ.
Để giải thích điều đó, lâu nay các nhà vật lí vẫn tìm kiếm một lí thuyết thống nhất lớn kết hợp mọi thứ, ngoại trừ lực hấp dẫn, thành một lực. Nay một ý tưởng mới vừa làm được việc như thế, nhưng nó chẳng đưa ra dự đoán nào gây khó dễ cho những nỗ lực trước đây.
Các máy gia tốc hạt đã chứng minh rằng lực điện từ và lực hạt nhân yếu trở thành lực “điện yếu” ở năng lượng khoảng 100 GeV. Năng lượng này đưa chúng ta tiến đến thời điểm một phần nghìn tỉ của một giây sau Vụ Nổ Lớn.
“Nhưng câu hỏi đặt ra là ‘chuyện gì xảy ra sau một phần nghìn tỉ của một phần nghìn tỉ của một phần nghìn tỉ của một giây sau Vụ Nổ Lớn?’”, phát biểu của Bartosz Fornal tại Đại học California, San Diego (UCSD). Liệu lực hạt nhân mạnh và lực điện yếu có hợp nhất hay không?
Vũ trụ trông đơn giản hơn vào lúc Big Bang
Fornal và Benjamin Grinstein, cũng tại UCSD, vừa xây dựng một ý tưởng mới dựa trên ý tưởng trước đây gọi là SU(5), nhưng với một điều chỉnh quan trọng.
Được Howard Georgi và Sheldon Glashow đề xuất vào năm 1974, SU(5) nói rằng ở những năng lượng cao của sự thống nhất lớn, tất cả các hạt đều được biểu diễn bởi những cấu trúc toán học có thể hình dung dưới dạng các ngũ giác và thập giác. Mỗi cạnh của ngũ giác biểu diễn một hạt sơ cấp, ví dụ như một quark hoặc một lepton. Về phương diện toán học, các cạnh của ngũ giác là y hệt nhau, thành ra chẳng có cách nào phân biệt những hạt này. Chỉ khi vũ trụ nguội đi thì đối xứng này bị phá vỡ, khiến ngũ giác ẩn dụ vỡ thành từng mảnh, mỗi mảnh của nó hoặc là một quark hoặc là một lepton.
Một tác dụng phụ của SU(5) là nó dự đoán một tương tác bổ sung giữa quark và lepton. Tương tác này làm cho proton có khả năng phân hủy.
Nhưng các thí nghiệm tìm kiếm bức xạ phát ra bởi sự phân hủy proton chẳng nhìn thấy kết quả gì. Chúng thiết đặt thời gian sống của proton ở mức hơn 1034 năm, bậc độ lớn cao hơn so với SU(5) dự đoán.
Để giải quyết vấn đề này, các lí thuyết thống nhất lớn có thể sát nhập siêu đối xứng, lí thuyết làm tăng gấp đôi số lượng hạt đã biết và có thể nới rộng thời gian sống của proton. Nhưng Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN chẳng tìm thấy bằng chứng nào của siêu đối xứng.
Nay Fornal và Grinstein bổ sung thêm hai cấu trúc cho SU(5), một cấu trúc có 40 cạnh và cấu trúc kia có 50 cạnh (arxiv.org/abs/1706.08535). Những cấu trúc này biểu diễn các trường nặng, giúp thống nhất lực điện yếu và lực hạt nhân mạnh, và đồng thời ngăn cản proton phân hủy. Và nó làm được như thế mà không phải sắp xếp lại cho siêu đối xứng.
Ilja Dorsner tại trường Đại học Split ở Croatia cho biết ông cảm thấy ấn tượng trước ý tưởng trên. Nhưng ông cũng cho biết lí thuyết này có thể bị bác bỏ nếu người ta tìm thấy proton phân hủy.
Bước tiếp theo là xét xem lí thuyết này có giải thích được tại sao khối lượng boson Higgs lại nhỏ hơn kì vọng hay không. Thay vì làm như thường lệ là điều chỉnh cho khối lượng Higgs khớp với lí thuyết của họ, Fornal cho biết có thể một cách làm xử lí là thêm các trường bổ sung cho lí thuyết.
Những điều chỉnh như vậy thỉnh thoảng là cần thiết để làm cho vũ trụ mà người ta đã quan sát ăn khớp về mặt toán học. Bản thân trường Higgs từng được bổ sung chỉ để giải quyết một vấn đề như thế - nguồn gốc khối lượng của mọi hạt – và hóa ra đó là hướng đi đúng.
Hai nhà nghiên cứu trên còn muốn sát nhập một hạt ứng viên cho vật chất tối vào lí thuyết, nó sẽ đòi hỏi một nhóm thống nhất bao quát hơn của vật chất tối cộng với tất cả các lực và các hạt mà chúng ta biết. Trong trường hợp đó, khi siêu đối xứng bị phá vỡ theo sự nguội đi của vũ trụ, vật chất tối sẽ hiện thân thành một hạt.
Nguồn: New Scientist, số ngày 25/11/2017 (Anil Ananthaswamy)
![[Sách] Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking](/bai-viet/images/2014/01/tkvd2.png)
