Cỗ máy va chạm hạt mạnh nhất thế giới có thể đang bắt đầu thực hiện những khám phá trọng yếu sớm hơn chúng ta nghĩ.
Bằng chứng của siêu đối xứng (SUSY), một lí thuyết giúp giải một vài bí ẩn vũ trụ học, cũng những loại vật chất mới lạ có thể xuất hiện tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) tại CERN ở gần Geneva, Thụy Sĩ, vào cuối năm nay. Đó là nếu như những hạt nhất định có thể phân hủy thành những hạt nhẹ hơn thông qua những lộ trình mới phát hiện tương đối dễ theo dõi.
Giả thiết là LHC sẽ không cho lao đủ số lượng hạt vào nhau vào tháng 12 tới để thấy bằng chứng rõ ràng của SUSY. Lí thuyết này, cho rằng mỗi hạt đã biết có một “siêu đối tác” hay một siêu hạt, có thể lát đường cho một “lí thuyết thống nhất lớn” hợp nhất các lực cơ bản của tự nhiên. Nó cũng có thể mang lại một lời giải thích cho vật chất tối.
Để tìm bằng chứng cho SUSY, LHC cần có thời gian tích lũy đủ dữ liệu để xem các siêu hạt (sparticle) có phân hủy rõ ràng hay không. Cho nên bằng chứng sớm nhất cho SUSY không được trông đợi có sớm hơn giữa năm 2011.
Có nhiều lí do để ăn mừng (Ảnh: CERN)
Konstantin Matchev thuộc trường Đại học Florida ở Gainsville và các đồng nghiệp cho biết chúng ta có lẽ không cần chờ lâu như vậy.
Các mô hình SUSY tiêu biểu thường giả sử các siêu đối tác nặng cho gluon và quark, và một hạt nhẹ trung hòa là một ứng cử viên cho vật chất tối. Nhưng vì khối lượng thật sự của các siêu hạt là không chắc chắn, cho nên đội Matchev xét hàng trăm khối lượng khả dĩ cho chúng, và đi tới những lộ trình mà qua đó chúng có thể phân hủy thành những đối tượng nhẹ hơn.
Đội nghiên cứu nhận thấy nếu như siêu đối tác của gluon, gluino, hay những siêu quark nhẹ nhất cần ít nhất năm bước để phân hủy thành siêu hạt nhẹ nhất, thì cuối cùng chúng sẽ sản sinh ra tới 8 electron hoặc muon, cả hai hạt này đều thuộc họ hàng nhà hạt lepton.
Các phân hủy tạo ra lepton được trông đợi vì những hạt này để lại những vết tích rõ ràng trong detector và năng lượng của chúng có thể đo được chính xác. Đội nghiên cứu tính được tám lepton sẽ tạo ra một tín hiệu đủ rõ ràng để gỡ rối ngay cả từ bộ dữ liệu LHC còn sơ sài vào cuối năm nay.
Chẳng rõ các khối lượng mà đội của Matchev xem xét có đúng hay không, cho nên các kết quả trên xuất hiện với một chút ngờ vực. Thật vậy, chỉ có 1% trong số các kết hợp khối lượng mà họ khảo sát sẽ tạo ra tín hiệu 8 lepton.
Các siêu hạt không phải là những hạt kì lạ duy nhất có thể xuất hiện trước khi năm nay qua đi: các diquark và leptoquark cũng có thể có mặt trong danh sách, theo lời Jesse Thaler thuộc Viện Công nghệ Massachusetts cùng các đồng nghiệp của ông. Những hạt này xuất hiện trong các lí thuyết thống nhất lớn, trong đó các lực mạnh, lực điện từ và lực yếu hợp nhất với nhau ở những năng lượng cao.
Thaler mô tả diquark là một hạt có hai lần “tính quark” của một quark. Một leptoquark sẽ cho phép các quark và lepton biến đổi theo những cach chưa giờ quan sát thấy và bị cấm đoán dưới mô hình chuẩn của ngành vật lí hạt, mô hình giải thích mọi hạt đã biết tính cho đến nay.
Thaler cho biết vì LHC cho các proton chứa quark va chạm với nhau, cho nên nó đặc biệt phù hợp với việc tạo ra các diquark. Đội của ông đã tính được rằng cả diquark lẫn leptoquark có thể xuất hiện tại LHC vào cuối năm nay.
Boson Higgs có xuất hiện tại LHC vào cuối năm nay?
Boson Higgs, hạt mang lại khối lượng cho mọi hạt khác, dẫn đầu danh sách những hạt được trông đợi nhất của Máy Va chạm Hadron Lớn. Theo mô hình chuẩn của ngành vật lí học, nó sẽ không xuất hiện trước năm 2013, nhưng cơ sở vật lí mới lạ cho phép nó xuất hiện sớm hơn.
Các nâng cấp cho LHC sẽ đòi hỏi nó ngừng hoạt động trong cả năm 2012. Nhưng khi đó, nó sẽ có đủ dữ liệu để thấy một hạt Higgs với khối lượng từ 160 đến 180 gigaelectronvolt (GeV) – ngoại trừ các kết quả từ máy va chạm Tevatron ở Batavia, Illinois, cùng với mô hình chuẩn, đã bác bỏ một khối lượng hạt Higgs ở trên giá trị chừng 160 GeV.
Nhưng LHC có thể gặp may nếu có những hạt và lực nằm ngoài mô hình chuẩn. Khi đó, hạt Higgs có thể nặng hơn 160 GeV và xuất hiện trong dữ liệu còn thô sơ.
Ngoài ra, nếu các quark nặng “thế hệ thứ tư” – dấu hiệu của cái xuất hiện tại Tevatron – tồn tại, thì LHC có thể phát hiện ra hạt Higgs với khối lương lên tới 300 GeV trước năm 2012.
Hạt Higgs còn có thể được trông thấy khi đó nếu nó nhẹ hơn 130 GeV. Trường hợp này có thể xảy ra nếu một hạt khác nữa nằm ngoài mô hình chuẩn, hạt Z’, tồn tại như một số mô hình lí thuyết dây dự đoán.
Nguồn: New Scientist
