Các nhà khoa học làm việc ở một thí nghiệm tại Máy Va chạm Hạt nặng Lớn đã chứng kiến các hạt W khối lượng lớn xuất hiện từ các va chạm với trường điện từ. Làm thế nào điều này có thể xảy ra?
Máy Va chạm Hạt nặng Lớn (LHC) vận hành với phương trình nổi tiếng của Albert Einstein, E = mc2, chuyển hóa vật chất thành năng lượng và ngược lại thành những dạng vật chất khác nhau. Thế nhưng thi thoảng, hiếm gặp, người ta có thể bỏ qua bước thứ nhất và cho va chạm năng lượng thuần túy - ở hình thức sóng điện từ.
Hồi năm ngoái, thí nghiệm ATLAS tại LHC đã quan sát thấy hai photon, hai hạt ánh sáng, lia qua nhau và tạo ra hai photon mới. Trong năm nay, họ vừa đưa nghiên cứu của mình tiến thêm một bước nữa và phát hiện thấy các photon xuất hiện và chuyển hóa thành thứ còn thú vị hơn nữa: boson W, hạt mang lực yếu chi phối sự phân rã hạt nhân.
Nghiên cứu này không chỉ làm sáng tỏ khái niệm trọng tâm chi phối các quá trình bên trong LHC: rằng năng lượng và vật chất là hai mặt của một đồng xu. Nó còn xác nhận rằng ở năng lượng đủ cao, các lực có vẻ tách biệt trong cuộc sống thường ngày – lực điện từ và lực yếu – được thống nhất.
Minh họa: Sandbox Studio, Chicago
Từ không khối lượng đến khối lượng lớn
Nếu bạn cố sao chép thí nghiệm va chạm photon này tại nhà bằng cách cho hai chùm tia laser giao cắt nhau, bạn sẽ không thể tạo ra những hạt mới khối lượng lớn. Thay vậy, bạn sẽ thấy hai chùm tia kết hợp thành một chùm sáng còn sáng hơn nữa mà thôi.
“Nếu bạn lùi lại và nhìn vào các phương trình Maxwell cho lực điện từ cổ điển, bạn sẽ thấy rằng hai sóng va chạm cộng lại thành một sóng lớn hơn,” theo lời Simone Pagan Griso, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kì. “Chúng ta chỉ thấy hai hiện tượng mới được thí nghiệm ATLAS quan sát này khi chúng ta đặt các phương trình Maxwell chung với thuyết tương đối hẹp và cơ học lượng tử trong cái gọi là lí thuyết điện động lực học lượng tử.”
Bên trong phức hợp máy gia tốc của CERN, các proton được gia tốc đến gần tốc độ ánh sáng. Hình thức tròn trịa bình thường của chúng bị nén ép dọc theo hướng chuyển động khi các định luật cổ điển về chuyển động được thay thế bằng thuyết tương đối hẹp để mô tả các quá trình xảy ra tại LHC. Hai photon tới xem nhau như chiếc bánh kếp bị nén đi kèm với một trường điện từ bị nén giống vậy (proton mang điện, và tất cả những hạt mang điện đều có một trường điện từ). Năng lượng của LHC kết hợp với sự co độ dài làm tăng cường độ trường điện từ của proton lên 7500 lần.
Khi hai proton lướt qua nhau, trường điện từ bị nén của chúng giao nhau. Các trường này bỏ qua nghi thức “khuếch đại” cổ điển ứng với các năng lượng thấp, và thay vào đó chúng tuân theo các quy tắc do điện động lực học lượng tử chi phối. Thông qua những quy luật mới này, hai trường có thể hợp nhất và trở thành “E” trong E = mc2.
“Nếu bạn đọc phương trình E = mc2 từ trái sang phải, bạn sẽ thấy rằng một khối lượng nhỏ tạo ra một năng lượng khổng lồ do bởi hằng số c2, đó là tốc độ ánh sáng bình phương,” phát biểu của Alessandro Tricoli, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven – tổng hành dinh Mĩ cho thí nghiệm ATLAS, nơi nhận tài trợ từ Phòng Khoa học thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kì. “Còn nếu bạn nhìn vào công thức theo hướng ngược lại, bạn sẽ thấy rằng bạn cần bắt đầu với một năng lượng khổng lồ để tạo ra dù là một khối lượng rất nhỏ.”
LHC là một trong vài nơi ít ỏi trên Trái đất có thể tạo ra và cho va chạm các photon năng lượng cao, và đó là nơi duy nhất mà các nhà khoa học từng chứng kiến hai photon năng lượng cao hợp nhất và chuyển hóa thành boson W khối lượng lớn.
Thống nhất các lực
Sự sản sinh boson W từ các photon năng lượng cao chứng thực cho một khám phá đã mang về Giải Nobel Vật lí 1970 cho Sheldon Glashow, Abdus Salam và Steven Weinberg: Ở năng lượng cao, lực điện từ và lực yếu là một.
Lực điện và lực từ thường được cảm nhận như hai lực tách biệt. Người ta thường chẳng quan tâm chuyện bị giật mình khi cầm một thanh nam châm tủ lạnh. Và bóng đèn, ngay cả khi được dòng điện thắp sáng, không hề bị hút dính vào cửa tủ lạnh. Thế tại sao các trạm điện lại trương biển cảnh báo về từ trường cao của chúng?
“Nam châm một hiện thân của lực điện từ, và dòng điện là một hiện thân khác,” Tricoli nói. “Nhưng đó đều là sóng điện từ, và chúng ta thấy sự thống nhất này trong các công nghệ thường ngày, ví dụ như điện thoại di động giao tiếp thông qua sóng điện từ.”
Ở những năng lượng cực cao, lực điện từ kết hợp với một lực cơ bản khác: lực yếu. Lực yếu chi phối các phản ứng hạt nhân, bao gồm sự hợp nhất của hydorgen thành helium cấp năng lượng cho Mặt trời và sự phân rã của các nguyên tử phóng xạ.
Y hệt như photon mang lực điện từ, boson W và boson Z mang lực yếu. Lí do các photon va chạm và sản sinh boson W trong LHC là vì ở những năng lượng cao nhất, các lực đó kết hợp thành lực điện yếu.
“Cả photon và boson W đều là hạt mang lực, và chúng đều mang lực điện yếu,” Griso nói. “Hiện tượng này thật sự xảy ra do bởi tự nhiên mang bản chất cơ lượng tử.”
Nguồn: Symmetry Magazine
