Mô hình tốt nhất của chúng ta về vật lí hạt chỉ có thể giải thích khoảng 5% của vũ trụ.
Mô hình Chuẩn là một lí thuyết đẹp. Nó là lí thuyết chặt chẽ nhất về vật lí hạt, hết sức chính xác và chuẩn xác trong các dự đoán của nó. Nó thiết lập trên phương diện toán học 17 viên gạch cấu trúc cơ bản của tự nhiên: sáu quark, sáu lepton, bốn hạt mang lực, và boson Higgs. Các hạt này được chi phối bởi lực điện từ, lực yếu, và lực mạnh.
“Như với câu hỏi ‘Chúng ta là gì?’ thì Mô hình Chuẩn đã có câu trả lời,” phát biểu của Saul Ramos, một nhà nghiên cứu tại trường Đại học Quốc gia Tự trị Mexico (UNAM). “Nó cho chúng ta biết rằng mỗi vật trong vũ trụ là không hề độc lập, và rằng mỗi hạt có mặt là vì một lí do nào đó.”
Trong 50 năm qua, một hệ thống như thế đã cho phép các nhà khoa học tích hợp vật lí hạt thành một phương trình duy nhất giải thích được đa số hiện tượng mà chúng ta có thể thấy trong thế giới xung quanh chúng ta.
Tuy nhiên, bất chấp sức mạnh dự báo to lớn của nó, Mô hình Chuẩn không hề trả lời được năm câu hỏi quan trọng, đó là lí do vì sao các nhà vật lí hạt biết công việc của họ còn lâu mới hoàn thành.
1. Vì sao neutrino có khối lượng?
Ba trong số các hạt Mô hình Chuẩn là những loại neutrino khác nhau. Mô hình Chuẩn dự đoán rằng, giống như photon, neutrino phải không có khối lượng.
Tuy nhiên, các nhà khoa học nhận thấy ba neutrino dao động, hay biến từ loại này sang loại khác, khi chúng chuyển động. Chuyện này chỉ có thể xảy ra bởi vì xét cho cùng các neutrino không phải không khối lượng.
“Nếu chúng ta sử dụng các lí thuyết mà chúng ta có ngày nay, thì chúng ta sẽ có câu trả lời không đúng,” theo lời giáo sư André de Gouvêa tại Đại học Northwestern.
Mô hình Chuẩn tính sai với neutrino, nhưng nó vẫn được xem là không sai nhiều lắm. Nói chung, các neutrino có khối lượng khá nhỏ.
Phải chăng Mô hình Chuẩn còn thiếu cái gì đó, hay còn có điều gì đó mà chúng ta chưa biết về neutrino? Một số kết quả thí nghiệm đề xuất rằng, chẳng hạn, có thể còn có một loại neutrino thứ tư gọi là neutrino vô sinh mà chúng ta vẫn chưa tìm thấy.
2. Vật chất tối là gì?
Các nhà khoa học nhận thấy họ đang còn thiếu thứ gì đó khi họ để ý thấy các thiên hà quay xung quanh nhau nhanh hơn tốc độ lí thuyết đề xuất, dựa trên lực hút hấp dẫn của vật chất biểu kiến của chúng. Chúng quay xung quanh nhau nhanh đến mức lẽ ra chúng đã tự xé toạc ra từng mảnh. Phải có thứ gì đó chúng ta không thể nhìn thấy, các nhà khoa học đặt tên cho nó là “vật chất tối”, đang cấp thêm khối lượng – và do đó cấp thêm lực hút hấp dẫn – cho các thiên hà này.
Vật chất tối được cho là chiếm 27% thành phần của vũ trụ. Nhưng nó không được bao gồm trong Mô hình Chuẩn.
Các nhà khoa học đang tìm cách nghiên cứu vật chất bí ẩn này và nhận ra những viên gạch cấu trúc của nó. Giả sử các nhà khoa học có thể chứng minh được vật chất tối tương tác bằng cách nào đó với vật chất bình thường, “chúng ta sẽ vẫn cần một mô hình mới, nhưng nó sẽ có nghĩa là mô hình mới đó và Mô hình Chuẩn có kết nối với nhau,” theo lời Andrea Albert, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC thuộc Bộ Năng lượng Mĩ, ông chuyên nghiên cứu vật chất tối, cùng những vấn đề khác, tại Đài thiên văn Cherenkov Nước Trên cao ở Mexico. “Đó sẽ là một kết quả làm thay đổi cuộc chơi lớn.”
3. Vì sao có nhiều vật chất như thế trong vũ trụ?
Hễ khi nào một hạt vật chất xuất hiện – ví dụ, trong một va chạm hạt trong Máy Va chạm Hadron Lớn hoặc trong phân hủy của một hạt khác – thông thường đối hạt phản vật chất của nó xuất hiện cùng lúc. Khi các hạt vật chất và phản vật chất tương ứng gặp nhau, chúng hủy lẫn nhau.
Các nhà khoa học cho rằng khi vũ trụ ra đời trong Vụ Nổ Lớn (Big Bang), vật chất và phản vật chất phải được tạo ra với lượng bằng nhau. Tuy nhiên, một cơ chế nào đó đã cứu vật chất và phản vật chất khỏi kịch bản hủy diệt toàn bộ, và vũ trụ xung quanh chúng ta bị thống trị bởi vật chất.
Mô hình Chuẩn không thể lí giải sự mất cân bằng ấy. Nhiều thí nghiệm khác nhau đang nghiên cứu vật chất và phản vật chất nhằm tìm kiếm manh mối cho cái đã làm đảo lộn cán cân lúc ban đầu ấy.
4. Vì sao sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc?
Trước khi các nhà khoa học có thể đo được sự giãn nở của vũ trụ của chúng ta, họ đoán rằng nó đã bùng nổ nhanh sau Big Bang và rồi, theo thời gian, phải bắt đầu chậm lại. Vì thế người ta đã bị sốc khi biết rằng không những sự giãn nở của vũ trụ không chậm lại – mà thật ra nó còn đang tăng tốc.
Các phép đo mới nhất được thực hiện bởi Kính thiên văn Vũ trụ Hubble và đài thiên văn Gaia thuộc Cơ quan Vũ trụ châu Âu cho biết các thiên hà đang chuyển động ra xa chúng ta ở tốc độ 45 dặm mỗi giây.
Người ta tin rằng tốc độ giãn nở này là do một tính chất chưa được lí giải của không-thời gian gọi là năng lượng tối, nó đang đẩy vũ trụ ra xa nhau. Người ta cho rằng nó chiếm khoảng 68% năng lượng trong vũ trụ. “Đó là cái rất cơ bản nhưng chẳng ai có thể lường trước nếu chỉ nhìn vào Mô hình Chuẩn,” de Gouvêa nói.
5. Có một hạt đi cùng với lực hấp dẫn không?
Mô hình Chuẩn không được thiết kế để giải thích lực hấp dẫn. Lực thứ tư và lực yếu nhất của tự nhiên dường như không có tác động gì đối với các tương tác hạ nguyên tử mà Mô hình Chuẩn lí giải.
Song các nhà vật lí lí thuyết nghĩ tới một hạt hạ nguyên tử gọi là graviton, nó có thể trung chuyển lực hấp dẫn theo kiểu y hệt như các hạt gọi là photon mang lực điện từ.
“Sau khi sự tồn tại của sóng hấp dẫn được LIGO xác nhận, bây giờ chúng ta lại hỏi: Sóng hấp dẫn nhỏ nhất có thể là bao nhiêu? Câu hỏi này y hệt như hỏi graviton là gì,” theo lời giáo sư Alberto Güijosa tại Viện Khoa học Hạt nhân ở UNAM.
Còn nhiều thứ phải tìm hiểu thêm
Năm câu hỏi này là những câu hỏi lớn nhất của vật lí học trong thế kỉ 21, Ramos nói. Thế nhưng, có những bí ẩn còn cơ bản hơn nữa, ông nói: Nguồn gốc của hình học không-thời gian là gì? Các hạt có spin của chúng từ đâu? Vì sao lực mạnh mạnh như thế còn lực yếu yếu như thế?
Có nhiều thứ còn lại để khám phá, Güijosa nói. “Dù cho chúng ta có đi tới một lí thuyết cuối cùng và hoàn hảo về mọi thứ trong tay rồi, chúng ta sẽ vẫn phải tiến hành thí nghiệm trong các tình huống khác nhau để thúc đẩy các giới hạn của nó.”
“Đó là một ví dụ rất kinh điển về sự hoạt động của phương pháp khoa học,” Albert nói. “Với mỗi giải đáp xuất hiện nhiều câu hỏi hơn; chẳng bao giờ dừng lại được.”
Nguồn: Symmetry Magazine
