Bạn muốn tăng thêm vài kilo? Đừng quá khe khắt với bản thân mình làm gì – một trường lực vô hình và một boson tên gọi là Higgs có thể là thủ phạm thật sự.
Các nhà khoa học đã phát triển một mô phỏng xem phân hủy của hạt boson Higgs sẽ trông như thế nào. (DESY Zeuthen)
Newton nghĩ rằng ông đã có lực hấp dẫn trong tay khi một quả táo trí tuệ rơi trong đầu ông vào năm 1665. Nhưng 250 năm sau, một thanh niên trẻ tên là Einstein đã công nhiên rằng hấp dẫn không phải là một tính chất của Trái đất hay bất kì vật chất nào khác – hấp dẫn là cái bạn thấy khi vật chất làm biến dạng không-thời gian.
Quan điểm của Einstein thổi lên những luồng gió mới. Và trong khi kiến thức hiện nay của thuyết tương đối rộng là không cần thiết cho một cuộc sống hạnh phúc và trọn vẹn, nhưng nó thiết yếu cho các nhà vật lí mở mang đầu óc của họ xem vũ trụ thật sự hoạt động như thế nào.
Tiến nhanh cho đến bây giờ, và nếu một nhân vật kém nổi tiếng hơn của những năm 1960 là đúng, thì sự nhận thức của chúng ta về khối lượng – mức độ nặng của các vật – là xem xét sự hấp dẫn.
Khối lượng...
Khối lượng là một trong những thứ mà cố hữu chúng ta ‘có’ – một số thứ thì nặng hơn những thứ khác, và khối lượng của các vật không thay đổi từ ngày này sang ngày tiếp theo. Chúng ta biết hoặc có thể tính ra khối lượng của mọi thứ trên hành tinh, từ một nguyên tử hydrogen (1,6x10-27 kg) đến một chiếc phản lực (400.000 kg) cho đến bản thân hành tinh (5,6x1024 kg). Và chúng ta biết khối lượng của các vật thật ra là tổng khối lượng của tất cả các nguyên tử cấu tạo nên nó.
Nhưng vào thập niên 1960, nhà vật lí người Anh Peter Higgs đi đến một ý tưởng tách khối lượng ra khỏi cái gì đó hoàn toàn hiển nhiên, thành một cái gì đó mơ màng như bản thân thập niên ’60 vậy.
Ông nói khối lượng không phải là một tính chất của vật chất. Thay vào đó, một trường không nhìn thấy chứa đầy mọi góc cạnh của vũ trụ, và các vật có khối lượng bằng cách tương tác với trường đó. Trường (gọi là trường Higgs) tương tác với một hạt càng mạnh, thì hạt càng nặng.
Các electron thật sự nhẹ, nên trường Higgs khó tương tác với chúng. Các quark cấu tạo nên proton và neutron thì nặng hơn electron nhiều, vì trường Higgs tác dụng lên chúng mạnh hơn nhiều, khiến chúng khó tách rời ra hoặc chuyển động chậm lại. Các photon, những gói năng lượng cấu tạo nên bức xạ điện từ, không có khối lượng. Nên chúng lao qua vũ trụ như thể trường Higgs không hề có mặt – các photon và trường Higgs hoàn toàn ‘phớt lờ’ nhau.
Ý tưởng của Higgs nhận được sự hoan nghênh “xuất sắc!” từ phía đa số các nhà vật lí, và một số người khác thì la toáng lên “gì thế...?” Tại sao ông lại làm phức tạp thêm một khái niệm như khối lượng vốn đã hoạt động khá tốt? Vâng, người ta phải phản ứng như vậy thôi.
Các nhà khoa học hi vọng Máy Va chạm Hadron Lớn sẽ phát hiện ra vết tích của hạt boson Higgs. (Maximilien Brice/CERN)
Một lí thuyết của hầu như mọi thứ
Trong thế kỉ 20, các nhà vật lí lượng tử đã phát hiện và lí thuyết hóa những thứ ngày một kì lạ hơn về thế giới hạ nguyên tử. Vào thập niên 1960, các nhà vật lí đang dồn về với nhau mọi thứ họ biết về các hạt hạ nguyên tử và các tương tác của chúng thành một lí thuyết hoặc mô hình. Đó là một lời kêu gọi lớn, với sự thưởng phạt lớn – mọi thứ cấu tạo từ vật chất, cho nên việc tìm hiểu các hạt cấu tạo nên vật chất và các lực chi phối cái diễn ra ở cấp độ ấy là công việc ưu tiên hàng đầu.
Vào đầu thập niên 1970, mô hình xuất hiện gần như làm được công việc đó. Mô hình Chuẩn của vật lí hạt cơ bản bao quát 12 hạt hạ nguyên tử (bao gồm electron cũng như các quark cấu tạo nên neutron và proton), các phản hạt của chúng, và ba trong số bốn lực chi phối mọi tương tác của chúng. Nó còn tiên đoán các hạt chưa biết vào lúc ấy, nhưng rồi đã được tìm thấy trong các thí nghiệm năng lượng cao. Khi mô hình trên tiến trình hoàn thiện, thì người ta gặp hai trở ngại lớn.
Một trong những trở ngại này là nó không cho phép bất kì hạt nào có khối lượng. Mọi hạt trên thực tế chúng ta biết là có khối lượng – nó đã được đo và chứng minh – nên vật lí học cần một lời giải cho bài toán khối lượng, hay nó cần một mô hình mới. Đó là nơi ngài Higgs của chúng ta và trường lực mang tên ngài xuất hiện.
Nếu trường Higgs thật sự là cơ sở của khối lượng, thì thật OK cho bản thân các hạt hạ nguyên tử không có khối lượng vì chúng cần đến nó chỉ bởi việc tương tác với trường, và Mô hình Chuẩn vẫn trụ vững. Nhưng nếu rốt cuộc không có trường Higgs, thì chúng ta chẳng có cách nào giải thích khối lượng và vật lí hạt sơ cấp sẽ ở lại với Mô hình rất Dưới chuẩn.
Vậy làm thế nào bạn tìm ra một trường không nhìn thấy chiếm giữ mọi góc cạnh không gian trong vũ trụ? Bạn hãy săn tìm boson của nó.
Săn tìm boson Higgs
Trong vật lí lượng tử, các trường (như trường điện từ và trường hấp dẫn) được trung chuyển hoặc mang bởi các hạt gọi là boson. Một trường thật ra là một biển gồm các boson ảo thoắt ẩn thoắt hiện. Boson được biết tới nhiều nhất là photon, hạt trung chuyển trường điện từ. Và nếu trường Higgs lan tỏa mọi nơi thật sự tồn tại, thì nó sẽ được trung chuyển bởi boson Higgs.
Tìm kiếm boson Higgs đòi hỏi một chút thủ thuật. Giống như đa số các hạt hạ nguyên tử, nó không bền, và chỉ tồn tại ở các năng lượng cao. Thật sự là những năng lượng cao. Loại năng lượng bạn có ngay sau Big Bang, hoặc khi bạn chó các hạt hạ nguyên tử lao vào nhau ở tốc độ gần như bằng ánh sáng.
Đó chính là cái đang diễn ra trong Máy Va chạm Hadron Lớn của châu Âu. Nếu các proton siêu nhanh (một loại hadron) lao vào nhau với năng lượng đủ lớn, thì một boson Higgs có thể hình thành. Những nhân vật này được bảo quản cao đến mức cho dù một hạt thật sự xuất hiện thì nó sẽ không bền và sẽ biến mất trở lại ngay tức thì. Nhưng nó sẽ tạo ra một vết tích mách bảo của sự sinh và hủy sẽ để lại tín hiệu cho các nhà vật lí biết rằng boson Higgs chẳng phải chỉ là một tên gọi vui cho một nhân vật người Anh.
Còn nếu sau hàng tỉ đô la đã chi ra mà chúng ta chẳng tóm được boson Higgs thì sao? Cộng đồng vật lí hạt sẽ chưa thất vọng đâu. Đó sẽ là gợi ý cho họ đi đến một mô hình hoạt động tốt như mô hình hiện nay của chúng ta, nhưng có chỗ cho khối lượng, năng lượng tối, vật chất tối và một cái nho nhỏ gọi là sự hấp dẫn.
- Trọng Khương (theo abc.net.au)
