Alfred B. Bortz
Quark duyên và lực điện yếu
Một khuôn khổ có sức mạnh trong lịch sử vật lí có thể gọi là sự đơn giản hóa qua thống nhất. Xuyên suốt thế kỉ cho đến những năm 1960, những thí dụ nổi bật nhất của khuôn khổ đó là bảng tuần hoàn các nguyên tố, thuyết điện từ Maxwell, thuyết tương đối Einstein, và cơ học lượng tử. Lí thuyết quark của Gell-Mann tiếp tục xu hướng đã bắt đầu với bảng tuần hoàn. Bảng tuần hoàn mang trật tự đến cho danh sách tăng dần của các nguyên tố, và lí thuyết quark thuần hóa vườn bách thú hạ nguyên tử ngang bướng. Hệ phương trình Maxwell thống nhất các lực điện và từ trước đó tách rời nhau mặc dù rõ ràng là có liên hệ với nhau và, như một hệ quả, chứng tỏ rằng ánh sáng là một hiện tượng điện từ. Thuyết tương đối Einstein chứng minh rằng không gian và thời gian, cái con người cảm nhận là những thực thể khác nhau, là những mặt thật sự khác biệt của một không thời gian đơn nhất. Tương tự, công trình của ông đã thống nhất khối lượng và năng lượng. Cơ học lượng tử thì loại bỏ những khác biệt giữa hạt và sóng, mặc dù con người cảm nhận hai thực thể đó khác nhau.
Do thuyết tương đối và cơ học lượng tử thách đố cách thức hàng ngày nhìn nhận thế giới tự nhiên, nên nhiều người có thể gọi chúng là phức tạp, nhưng các nhà vật lí nhận ra chúng là một phần của một khuynh hướng tiến tới sự đơn giản hóa toán học. Khám phá ra hai lực hạt nhân của thế kỉ 20 – lực mạnh và lực yếu – dường như hướng tới sự giản hóa. Tuy nhiên, đa số các nhà vật lí tỉn rằng các lực cơ bản có thể thống nhất, và số người trong họ đã đi tìm một khuôn khổ toán học để thực thi nhiệm vụ đó. Đầu thập niên 1960, Sheldon Glashow (1932– ), một giáo sư trẻ tại Stanford và rồi tại đại học California, bắt đầu tìm cách hợp nhất lực điện từ và lực hạt nhân yếu. Ông chuyển đến đại học Harvard vào năm 1966, nơi ông tiếp tục công trình đó cùng với giáo sư Steven Weinberg (1933– ). Đồng thời, tại trường Cao đẳng Hoàng gia London, vị giáo sư người gốc Pakistan, Abdus Salam (1926–96), đang tấn công vào bài toán đó một cách độc lập.
Các nhà vật lí thống nhất lực điện từ và lực hạt nhân yếu. Từ trái sang: Abdus Salam, Steven Weinberg, Sheldon Glashow. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives)
Năm 1969, John Iliopoulos và Luciano Maiani đến Harvard và cùng nghiên cứu với Glashow. Năm 1970, họ phát triển một lí thuyết lực “điện yếu” kết hợp lực hạt nhân yếu và lực điện từ. Giống như nhiều lí thuyết mới, nó mang lại một số bất ngờ. Trong số đó nổi bật nhất là sự tiên đoán một mùi thứ tư của quark mà Glashow gọi là duyên. Khi Glashow, Salam và Weinberg cùng chia sẻ giải Nobel Vật lí 1979, các hạt chứa quark duyên đã được phát hiện ra. Chương tiếp theo sẽ nhắc lại câu chuyện khám phá nổi tiếng ra một hạt đầu tiên như vậy ở hai phòng thí nghiệm nằm hai bên bờ Thái Bình Dương.
Các boson chuẩn, trường Higgs và nguồn gốc của khối lượng
Khi Gell-Mann cân nhắc không biết các proton và neutron có là hạt cơ bản hay không, thì Peter Higgs (1929– ) ở trường đại học Edingburgh tại Scotland tự hỏi không biết vì những hạt đó và những hạt khác nữa lại có khối lượng trong khi photon thì không có. Năm 1964, ông đề xuất rằng vũ trụ chứa đầy một loại trường lực thứ ba, ngoài trường điện từ và trường hấp dẫn. Các hạt có khối lượng của chúng thông qua tương tác của chúng với trường đó, các các nhà vật lí gọi là trường Higgs theo tên nhà vật lí đã nghĩ ra nó.
Trường Higgs cũng dẫn đến sự tiên đoán của một hạt mới, hay có lẽ một tập hợp những hạt mới, gọi là các boson Higgs. Nguyên nhân cho tiên đoán đó là vì các lực cơ bản khác đều đi cùng với các hạt mang lực, cái các nhà vật lí gọi là các boson chuẩn. Trong điện động lực học lượng tử (QED), lực điện từ có từ sự tráo đổi các photon. Lí thuyết điện yếu thì xây dựng trên một cặp hạt W, một dương và một âm, là hạt mang lực. Lí thuyết điện yếu bổ sung thêm hạt Z trung hòa cho khuôn khổ lí thuyết. Và lí thuyết ấy được gọi là sắc động lực học lượng tử (QCD), mô tả lực mạnh theo kiểu giống với QED, xây dựng trên các boson chuẩn mang tên kì quái là gluon. Như hai chương tiếp theo sẽ mô tả, các gluon, W và Z, đều đã được thực nghiệm phát hiện ra. Các hạt Higgs cho đến nay vẫn chưa được tìm thấy, có khả năng là vì không có máy gia tốc nào có thể đạt đủ mức năng lượng để lắc chúng ra khỏi trường Higgs. Nhiều nhà vật lí vẫn hi vọng khám phá ấy rồi sẽ đến, nhưng trong khi chờ đợi, thì hạt Higgs vẫn chẳng gì hơn là một khái niệm toán học mà thôi.
Còn tiếp
