Alfred B. Bortz
Chương 8
1971 – 1980
Bắt đầu một sự tổng hợp mới
Trong bảy thập niên đầu của thế kỉ 20, các nhà vật lí đã chứng kiến một sự chuyển biến ngoạn mục của nền khoa học của họ. Các định luật Newton, các phương trình Maxwell và thuyết nguyên tử không còn nói lên toàn bộ câu chuyện của vật chất và năng lượng nữa. Giờ thì thuyết tương đối và cơ học lượng tử nằm tại trung tâm của lí thuyết vật lí; các nguyên tử được biết là có cấu tạo gồm những hạt còn nhỏ hơn nữa, một số hạt đó tương tác thông qua các lực hạt nhân yếu và mạnh trước đây chưa biết tới; và các nhà vật lí đã tìm thấy nhiều hạt khác còn nhỏ hơn cả hạt nhân nhưng không là bộ phận của bất kì vật chất nào đã biết. Bát đạo của Gell-Mann mang trật tự đến cho thế giới hạ nguyên tử, nhưng một số vật lí vẫn nghĩ các quark chẳng gì hơn ngoài những công cụ toán học hữu dụng. Ngay cả sự tiên đoán một mùi quark thứ tư (duyên) vào năm 1970, cái dẫn đến sự thống nhất lực điện từ và lực hạt nhân yếu, cũng không thắng nổi những người thuộc chủ nghĩa hoài nghi cao độ. Vì thế, lúc bắt đầu thập niên thứ tám của thế kỉ 20, nghiên cứu về các hạt hạ nguyên tử diễn ra mạnh mẽ. Nhưng vào cuối thập kỉ đó, các quark đã được quan sát thấy ở nhiều baryon, và đã có bằng chứng của một mùi quark thứ năm và khả năng đáng ngờ của một quark thứ sáu.
Từ viễn cảnh lịch sử, toàn bộ những bộ phận chính của cái gọi là mô hình chuẩn của vật lí hạt đã có mặt vào cuối thập niên 1970. Nhưng lúc đó, các nhà vật lí vẫn nghi vấn không biết nền khoa học của họ có đang tiến tới một kho kem chứa đầy mùi quark, giống như vườn bách thú hạt trước đó hay không. Khả năng đó vẫn để mở cho đến những năm đầu của thế kỉ 21, khi các nhà vật lí tìm thấy bằng chứng chắc chắn rằng không có nhiều hơn sáu loại quark mà họ đã biết hoặc đã nghi ngờ trong 25 năm qua. Nhìn lại quá khứ, có thể nói rằng những năm 1970 đã đánh dấu một thời kì chuyển tiếp: thời kì củng cố và áp dụng những ý tưởng mới, sự bắt đầu của một thời kì tổng hợp. Tất nhiên, những đổi mới trong vật lí học vẫn tiếp tục sau đó, nhưng đa số những phát triển mới là những ứng dụng chứ không phải những đột phá lí thuyết.
Chương này cũng mang tính quá độ. Phần còn lại của quyển sách này sẽ nhấn mạnh vào các ứng dụng của vật lí nhiều hơn là vào các ý tưởng gây chuyển biến. Vì lí do đó, nhà vật lí của thập niên 1970 là một người đã phân thân giữa nghiên cứu cơ bản và ứng dụng, Luis Alvarez (1911–88) tại Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley thuộc Đại học California. Alvarez giành giải Nobel vật lí 1968 cho những cách tân trong công nghệ buồng bọt dẫn đến sự khám phá ra vô số hạt hạ nguyên tử, nhưng có lẽ ông được nhớ tới nhiều nhất cho sự làm chuyển biến kiến thức khoa học của sự tiêu khối trên Trái đất. Năm 1980, ông và đội nghiên cứu của mình đã báo cáo bằng chứng rằng một tiểu hành tinh cỡ bằng ngọn núi đã lao vào hành tinh chúng ta cách đây 65 triệu năm trước. Một vụ va chạm như thế sẽ làm khởi phát một chuỗi sự kiện làm tuyệt diệt nhiều giống loài. Nó trông như một ý tưởng điên rồ khi lần đầu tiên đề xuất, nhưng ngày nay nó được chấp nhận rộng rãi là lời giải thích hợp lí nhất cho sự kết thúc của thời đại khủng long.
Các quark: từ đáy đến đỉnh
Như đã lưu ý ở chương trước, vào năm 1972, các nhà vật lí đã gián tiếp quan sát thấy các quark. Các quark không thể tách rời lẫn nhau, nhưng một loạt thí nghiệm tán xạ electron tại Trung Tâm Máy gia tốc Thẳng Standford (SLAC) ở California và các thí nghiệm tán xạ neutrino tại CERN ở Thụy Sĩ đã tiết lộ cấu trúc nội của các proton, neutron và các baryon lạ. Tất cả những hạt đó giống như những cái bướu chứa ba thực thể độc lập, giống hệt như lí thuyết Gell-Mann đã tiên đoán.
Vậy thì các quark lên, xuống và lạ đã ở vào chỗ của chúng trong số những thành phần cơ bản của vật chất cùng với electron, neutrino, và các lepton khác. Nghiên cứu tiếp tục đối với quark duyên. Vào sáng hôm 11 tháng 11, 1974, tại một cuộc họp định kì của ủy ban cố vấn tại SLAC, hai nhà vật lí bắt đầu nhận ra rằng họ đã tìm thấy nó. Samuel Chao Chung Ting (1936– ) thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Long Island, New York, gặp gỡ Burton Richter (1931– ) thuộc SLAC và loan báo, “Burt à, tôi có một số chuyện vật lí thú vị kể cho anh nghe đây”.
Richter đáp lời một cách thân tình. “Sam à”, ông nói, “tôi có một số câu chuyện vật lí muốn kể cho anh nghe”. Trong các thí nghiệm khác nhau ở hai phía của Bắc Mĩ, mỗi người trong hai người đã tìm thấy bằng chứng của hạt mới giống nhau. Đội nghiên cứu của Richter đặt tên cho nó bằng kí tự Hi Lạp psi, còn Ting thì chọn chữ J, trông tựa như kí tự Trung Quốc cho chữ Ting. Họ nhanh chóng đi đến thống nhất kí hiệu chung là J/psi, tên gọi hạt vẫn mang cho đến ngày nay. Richter và Ting biết rằng nó có khối lượng hơn ba lần khối lượng một hạt proton và thường phân hủy thành những hạt khác sau khoảng một trăm phần tỉ tỉ của một giây. Thời gian đó thật ngắn ngủi, nó kéo dài khoảng bằng 1000 lần cái họ trông đợi cho một sự cộng hưởng nặng, hay trạng thái kích thích, của một hạt khác đã biết (giống như các cộng hưởng sao delta, sigma và sao xi đã mô tả ở chương trước. Đó là cái khiến nó thật hấp dẫn. Nếu nó không phải là một trạng thái kích thích, nó phải là một hạt mới, và nó phải có một tính chất làm hoãn lại sự phân hủy của nó.
Sau vài tháng làm thí nghiệm và lập lí thuyết bổ sung, các nhà vật lí đi đến một nhất trí. Tính chất chưa biết của J/psi phải là tính duyên, và hạt đó là một meson cấu tạo gồm một quark duyên và một phản quark duyên. Ủy ban Nobel đã chẳng trì hoãn công nhận thành tựu này. Richter và Ting cần nhận giải Nobel vật lí 1976.
Các nhà vật lí hạt bắt đầu tự hoan nghênh nhau là đã hoàn thành cây họ hàng của vật chất. Các quark lên và xuống kết hợp với các lepton quen thuộc – electron và neutrino electron – cấu tạo nên vật chất bình thường. Tính lạ và tính duyên cấu tạo nên bộ đôi quark nặng hơn và có các đối tác lepton định luật muon và neutrino muon. Khuôn khổ đó dường như bao gồm tất cả các hạt hạ nguyên tử đã biết. Nhưng đồng thời khi Richter, Ting, và những người khác đang khám phá ra hạt J/psi và suy luận ra nó có tính duyên, thì một đội nghiên cứu tại SLAC, đứng đầu là Martin Perl (1927– ), đang phát hiện ra sự kiện đầu tiên trong một chuỗi sự kiện khó hiểu. Cuối cùng, họ nhận ra rằng họ đã khám phá ra một lepton mới nặng gấp khoảng 17 lần muon và khoảng 3500 lần electron. Họ đặt tên cho nó bằng kí tự Hi Lạp tau. Việc khám phá ra nó đưa đến cho Perl chia sẻ giải Nobel vật lí năm 1995 “cho những đóng góp tiên phong với ngành vật lí lepton”, cùng với Frederick Reines, người cùng với Clyde Cowan lần đầu tiên phát hiện ra neutrino electron (xem chương 6).
Burton Richter (phải), người đồng khám phá ra quark duyên, đang xem màn hiển thị sự kiện hạ nguyên tử cùng với Martin Perl (giữa) và Gerson Goldhaber (trái). (Ảnh: Interactions.org, SLAC)
Lepton mới đó không có các quark phù hợp nào đã biết hoặc một neutrino tương ứng, nhưng khuôn khổ của vật lí hạt cho thấy phải có cả hai thứ đó. Neutrino sẽ khó tìm nhưng dễ đặt tên (neutrino tau). Các quark đó sớm được kí hiệu là t và b, tương ứng với một trong hai bộ tên gọi: đỉnh (top) và đáy (bottom), hoặc sự thật (truth) và đẹp (beauty). Cho dù chúng được gọi là gì đi nữa, thì cũng cần năng lượng cao hơn để mang chúng vào tồn tại (Cuối cùng các nhà vật lí đã khống chế được quark đỉnh và đáy). Năm 1977, một đội do Leon Lederman (1922– ) đứng đầu, tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi (Fermilab) ở Batavia, Illinois, gần Chicago, đã phát hiện ra một hạt họ gọi là upsilon và sớm xác lập rằng nó là đối tác xinh đẹp của J/psi duyên dáng. Nó một meson gồm một quark đáy và phản quark tương ứng của nó. Các đội Fermilab cuối cùng còn tìm ra quark đỉnh vào năm 1995 và neutrino tau vào năm 2000. Lederman chia sẻ giải Nobel vật lí 1988, không phải cho khám phá ra quark đáy, mà cho sự tiên đoán trước đó của ông về sự tồn tại của neutrino muon. Những người nhận giải chung với ông là Melvin Schwartz (1932–2006) và Jack Steinberger (1921– ), cả hai đều làm việc tại Đại học Columbia ở thành phố New York, những người đã phát hiện ra neutrino muon trong một thí nghiệm tại Brookhaven năm 1962.
Một khám phá đáng chú ý khác trong ngành vật lí hạt xuất hiện năm 1979 tại phòng thí nghiệm Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY) ở Hamburg, Đức. Các nhà nghiên cứu ở đó đã quan sát thấy bằng chứng có sức thuyết phục đầu tiên của các gluon, các boson chuẩn được cho là được các quark tráo đổi làm hạt mang lực mạnh.
Còn tiếp...
