Các nhà khoa học biết boson Higgs tương tác với các hạt khối lượng cực nặng. Nay họ cũng bắt đầu nghiên cứu cách nó tương tác với những hạt nhẹ hơn.
Ngay sau Big Bang, mỗi hạt trong vũ trụ đều chuyển động ở tốc độ ánh sáng. Thế rồi trường Higgs – một môi trường vô hình và nhớp nháp tràn ngập toàn cõi vũ trụ – xuất hiện. Một số hạt thậm chí không hay biết gì. Nhưng một số hạt khác bị giật bất ngờ khi hiện thân dạng chất điểm của chúng được phú cho một thứ hoàn toàn mới: khối lượng.
Chính sự phá vỡ đối xứng này – sự sắp xếp ngẫu nhiên của các hạt theo khối lượng – làm cho vũ trụ trông như diện mạo của nó ngày nay. Hoặc như lí thuyết suy diễn, dựa trên Mô hình Chuẩn của vật lí hạt, lịch sử sống đơn giản nhất (nhưng vẫn chưa hoàn chỉnh) của vũ trụ và các hạt tạo nên nó cũng thế.
Ngày nay, các nhà vật lí đang cố gắng hoàn thiện câu chuyện này bằng cách khảo sát các thành phần sơ cấp của tự nhiên, theo lời Adish Vartak, một nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại Đại học California, San Diego.
“Mô hình Chuẩn giải thích các hạt sơ cấp có khối lượng bằng cách nào, nhưng nó không thật sự giải thích tại sao một số hạt nhẹ như thế trong khi những hạt khác lại quá nặng,” ông nói. “Có thể có một nguyên do bao quát hơn vượt ngoài trường Higgs.”
Ngày nay, các nhà vật lí đang tìm kiếm câu trả lời về nguồn gốc của khối lượng và vật chất trong vũ trụ bằng cách khảo sát kĩ lưỡng phụ phẩm nổi tiếng nhất của trường Higgs – boson Higgs. Tại Hội nghị Quốc tế về Vật lí Năng lượng Cao mới đây, các nhà khoa học làm việc ở các thí nghiệm tại Máy Va chạm Hạt Nặng Lớn (LHC) cho biết họ đã bắt đầu nhìn thấy những dấu hiệu đầu tiên của một hành trạng Higgs mà chưa ai từng trông thấy trước đây.
Ảnh: CMS Collaboration
Boson Higgs được tìm thấy vào năm 2012 bởi các nhà vật lí làm việc ở thí nghiệm CMS và ATLAS tại LHC. “Đó là một sự mở mang rất lớn trong nhận thức của chúng ta về tự nhiên,” Vartak nói.
Kể từ đó, các nhà vật lí đã và đang lập biểu đồ cách boson Higgs tương tác với các hạt khối lượng lớn.
“Một hạt sơ cấp càng nặng, thì nó tương tác với boson Higgs càng mạnh,” phát biểu của Hongtao Yang, một trợ lí nghiên cứu hậu tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kì. “Bằng cách nghiên cứu boson Higgs, chúng ta có thể kiểm tra Mô hình Chuẩn và tìm kiếm những cánh cổng hướng sang nền vật lí mới.”
Cho đến nay, các nhà vật lí đã lập biểu đồ chắc chắn cách boson Higgs tương tác với các hạt nặng, ví dụ như quark đáy (bottom), quark đỉnh (top) và các lepton tau. Thế nhưng thách thức hơn cả đó là tìm kiếm boson Higgs tương tác với các hạt nhẹ hơn, ví dụ như các hạt cấu tạo nên nguyên tử và đa phần vật chất trong thế giới xung quanh chúng ta: quark lên (up), quark xuống (down) và electron.
“Các fermion, những viên gạch cấu trúc của vật chất bình thường trong vũ trụ của chúng ta, có thể được phân chia thành ba thế hệ,” Yang nói. “Chúng ta đã thấy boson Higgs tương tác với các hạt thế hệ thứ ba, chúng là nặng nhất, nhưng chúng ta vẫn chưa có một câu trả lời rạch ròi liệu trường Higgs có giữ vai trò nào đó trong việc tạo ra khối lượng cho những hạt khác hay không.”
Tốc độ một boson Higgs tương tác với những loại hạt khác phần lớn được xác định bởi khối lượng của hạt đó. Quark đáy khối lượng lớn, chẳng hạn, chiếm phần lớn phân hủy boson Higgs. Nhưng tỉ lệ để một boson Higgs phân hủy thành electron – khối lượng nhỏ hơn quark đáy chừng 8000 lần – xấp xỉ tỉ lệ trúng độc đắc Powerball vậy (1 trong 200.000.000).
Do những oái ăm này nên các nhà khoa học chưa từng nhìn thấy bằng chứng của hạt Higgs đang tương tác với các hạt thường ngày. May thay, có một hạt hơi nặng hơn và giống với electron mà các detector ATLAS và CMS đều được trang bị để nhìn thấy: muon.
Boson Higgs có xác suất 1 phần 5000 để phân hủy thành muon. Với tốc độ va chạm cao của LHC, quá trình này sẽ xảy ra bên trong các detector CMS và ATLAS một lần trong mỗi 8 giờ. Tuy nhiên, không dễ gì nhặt ra những sự kiện này từ biển sự kiện na ná như vậy.
“LHC có khả năng cao hơn tạo ra boson Z hoặc một photon ảo, chúng có thể ngang ngửa khối lượng với hạt Higgs và cũng có thể phân hủy thành hai muon,” Yang nói. “Cuộc sống của chúng tôi quả thật khó khăn do bởi phân hủy boson Higgs này quá hiếm, và hơn thế nữa, tỉ lệ tín-hiệu-trên-phông-nền của chúng tôi vào cỡ 1 phần 1000.”
Để tìm kiếm boson Higgs phân hủy thành muon, các đội khoa học làm việc ở thí nghiệm CMS và ATLAS đang tận dụng mọi công cụ mà họ có trong tay. Chẳng hạn, Yang và các đồng sự của ông ở ATLAS sử dụng một siêu máy tính tại Berkeley Lab để tạo ra 10 tỉ sự kiện mô phỏng một nguồn phông nền có nghĩa: boson Z và các photon ảo phân hủy thành muon.
Do tín hiệu quá nhỏ so với lượng nhiễu nền quá lớn, nên “để có kết quả đáng tin cậy, chúng tôi phải cực kì thận trọng với các ước tính phông nền của mình,” Yang nói. “Từ riêng dữ liệu thôi thì chúng tôi không có đủ sức mạnh thống kê.”
Một cách độc lập, Vartak và các đồng sự của ông ở CMS chia nhỏ phép phân tích thành những cơ chế sản sinh Higgs khác nhau, sau đó dùng học máy để tách mỗi loại tín hiệu Higgs độc nhất ra khỏi các sự kiện phông nền trông na ná nhau, một chiến lược cũng được ATLAS sử dụng.
“Chúng tôi muốn chắt lọc kết quả tốt nhất có thể từ dữ liệu,” Vartak nói. “Đó là lí do chúng tôi mất gần như hai năm để tiến hành phân tích.”
ATLAS mới đây công bố rằng họ đang bắt đầu nhìn thấy diện mạo phảng phất của một sự tăng tín hiệu giống-Higgs trên phông nền, và CMS mới đây đã vượt qua ngưỡng bằng chứng thống kê cho quá trình này. Nhưng để đạt tới một khám phá không thể chối cãi, cả hai thí nghiệm cần có thêm dữ liệu và chúng sẽ tiếp tục thu thập thêm dữ liệu tại LHC trong những năm tới.
“Đây là một kênh rất quan trọng bởi lẽ chúng ta chưa từng thấy hạt Higgs kết hợp với những hạt nhẹ như vậy trước đây,” Yang nói. “Quan sát sẽ là ngôn từ cuối cùng, và chúng tôi vẫn còn rất nhiều việc phải làm.”
Nguồn: Symmetry Magazine
