Khi thuyết tương đối rộng của Einstein thay thế thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton, nó không nhằm chỉnh sửa đôi chút định luật nghịch đảo bình phương mà bằng cách loại bỏ khái niệm cơ bản của Newton, theo đó luật hấp dẫn là lực tác động lên một vật thể bởi vật thể khác. Trong thuyết Tương đối rộng, ta không đề cập đến lực mà quan tâm đến độ cong của không gian và thời gian. Tuy hệ quả - của sự thay thế cơ học Newton bằng thuyết Tương đối rộng - là có sửa đổi chút xíu (nhỏ hơn một phần triệu) những tiên đoán về sự vận hành của hệ Mặt trời, nhưng thuyết của Einstein đã làm một cuộc cách mạng trong nhận thức về tự nhiên. Ngày nay chúng ta cần một cuộc cách mạng khác nữa. Steven WeinbergTóm tắt- Bài viết trình bày về một lý thuyết được gọi là “Mô hình Chuẩn (the Standard Model, SM)” của Vật lý Hạt cơ bản để diễn tả hệ thống của những “viên gạch” sơ cấp cấu tạo nên vật chất trong vũ trụ.
Vật lý hạt cơ bản có mục tiêu tìm hiểu, tiên đoán, phân loại, sắp xếp các thành phần sơ cấp của vật chất và khám khá những đặc tính cũng như những định luật cơ bản chi phối sự vận hành của chúng. Mô hình Chuẩn là lý thuyết giải thích toàn vẹn, chặt chẽ và nhất quán những đặc trưng của những thành phần sơ cấp trong thế giới vi mô dưới tác động của ba trong bốn lực cơ bản của Tự nhiên: lực điện-từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu để từ đó vạn vật hình thành và biến hóa. Lực vạn vật hấp dẫn, diễn tả bởi thuyết Tương đối rộng của thế giới vĩ mô, là lực cơ bản thứ tư nằm ngoài phạm trù của SM và do đó không là đối tượng của bài viết này.
Bài viết gồm bốn phần:PHẦN I: Nhập đề, phác họa và dẫn giải tổng quan để độc giả làm quen với những thuật ngữ và khái niệm chủ yếu của SM, qua đó có cái nhìn bao quát về những đề tài của thế giới vi mô.
PHẦN II: Mô tả những hiện tượng điển hình liên quan đến các hạt quark, thành phần sơ cấp của hạt nhân nguyên tử. Quark bị chi phối chủ yếu bởi lực mạnh gắn kết chúng để cấu tạo nên hadron gồm hai loại là hạt baryon (spin ½) và hạt meson (spin 0, 1). Trong tiến trình khám phá ra lực mạnh, lý thuyết Yukawa đóng vai trò mở đường, theo đó sự tương tác của các baryon là do trao đối các meson giữa chúng. Thế năng Coulomb 1/R của lực điện-từ và thế năng Yukawa e-mR/R của lực mạnh theo thứ tự là do trao đổi photon và meson p (với khối lượng 0 và m). Thế năng Coulomb là một trường hợp đặc biệt của thế năng phổ quát Yukawa: khi m→ 0, e-mR/R → 1/R, m càng lớn thì tầm truyền R của lực càng nhỏ, photon không có khối lượng nên lực điện-từ truyền đi vô hạn (nguyên lý bất định Rm ~ ћ).
Nguyên lý đối xứng được khai thác với dụng cụ toán học là nhóm SU(3) để khám phá những tính chất đặc thù, phong phú của các hạt cơ bản, thứ nhất là hương và sắc của quark, thứ hai là công thức phổ quát GNN (Gell-Mann, Nakano, Nishijima) chi phối các hadron, các hạt cơ bản và các lực. Công thức GNN cũng sẽ là kim chỉ nam định hướng cho sự hoà nhập giữa lực điện-từ và lực yếu, chủ đề của PHẦN IV.
Tựa như bảng tuần hoàn Mendeleïev trong hóa học, các nhóm bội baryon và meson có thể sắp xếp theo hình tám cạnh đều đặn mà Gell-Mann gọi là Bát chánh đạo của Bụt.
PHẦN III: Trình bày phương pháp cơ bản để khám phá ra Sắc động lực học lượng tử (QCD), định luật chi phối sự vận hành của quark. Trước hết cần thấu triệt một nguyên lý cực kỳ phong phú gọi là Đối xứng Chuẩn Định xứ (local gauge symmetry) đã làm nền tảng cho Điện động lực học lượng tử (QED), lý thuyết về lực điện-từ được hoàn tất thời tiền SM. Nguyên lý này được mở rộng và khai thác để khám phá ra hai định luật cơ bản khác là QCD (ở PHẦN III) và Điện-Yếu (ở PHẦN IV).
QED ⇒ đối xứng chuẩn định xứ⇒ QCD và Điện-Yếu
Đối xứng chuẩn xác định là phải tồn tại những boson chuẩn mang spin 1 để truyền tải lực cho quark và lepton tương tác, những boson này tuân theo phương trình Maxwell (cho photon của lực điện-từ) và Yang-Mills (cho gluon của lực mạnh và W, Z của lực yếu). Hai tính chất đặc thù của QCD là “Tự do tiệm cận” và “Nô lệ hồng ngoại” giải thích quark và gluon bị gắn chặt không trốn thoát nổi ra ngoài hadron ở nhiệt độ (năng lượng) thấp. Trái lại năng lượng càng cao thì quark và gluon càng tự do, không bị gắn kết chặt chẽ trong hadron. Đó chính là trạng thái của vật chất ở thuở Big Bang và ở các máy gia tốc có năng lượng cực kỳ lớn.
PHẦN IV: Dành cho lực hạt nhân yếu và sự hoà nhập của nó với lực điện-từ để trở thành thuyết Điện-Yếu, đó thực sự là đỉnh cao của SM. Bố cục của PHẦN IV gồm ba chủ đề:
Mở đầu với neutrino và hai tính chất đặc thù của lực yếu là sự vi phạm đối xứng phải-trái (P), và đối xứng vật chất-phản vật chất (CP).
Thứ hai, khi nghiên cứu hai hiện tượng đặc trưng của lực yếu: ‘kỳ tính’ biến chuyển thành ‘phản kỳ tính’ với Glashow, Iliopoulos, Maiani (GIM) và sự vi phạm đối xứng CP với Kobayashi, Maskawa (KM), các tác giả trên đã tiên đoán (và thực nghiệm sau đó xác nhận) sự hiện hữu của ba loại vật chất mới lạ là các quark duyên (charm), đáy (bottom) và đỉnh (top); minh họa mối tương quan sâu sắc giữa hai lực mạnh và yếu.
Cuối cùng định luật chi phối lực yếu được khám phá qua hai giai đoạn:
• Đối xứng chuẩn và thuyết Yang-Mills với nhóm SU(2) liên kết hai dòng trung hoà điện tích của lực yếu và lực điện-từ để hoà nhập chúng.
• Cơ chế BEH (Brout, Englert, Higgs) với hạt Higgs diễn tả sự phá vỡ tự phát của phép đối xứng chuẩn để mang khối lượng cho hai boson W, Z của lực yếu.
Sự kiện phát hiện boson Higgs ở CERN chứng kiến một chương cũ sắp khép lại và một trang sử mới đang ló dạng trong vật lý hạt. Khép chương cũ vì đã hoàn tất một đoạn đường dài là tất cả 17 loại hạt cơ bản đều được thực nghiệm khám phá hết, không còn gì thiếu sót. Điều này khẳng định sự vững chắc của SM, một hệ hình mà từ đây mọi phát triển sau này đều phải dựa vào để phát triển xa hơn nữa. Mở chương mới, vì cơ chế BEH thực sự lên ngôi. Cơ chế này có thể ảnh hưởng đến nhiều ngành khác, nó ra đời như một liên đới sâu sắc giữa hai ngành khác biệt: vật lý chất ngưng tụ (siêu dẫn điện-từ) và vật lý hạt (lực yếu của neutrino). Đây là lần đầu tiên con người khám phá ra một lực mới lạ, diễn tả bởi trường Higgs, mang khối lượng cho vật chất, có thể coi như lực cơ bản thứ năm của Tự nhiên bên cạnh bốn lực quen thuộc.
Bốn Phần đều tương đối độc lập tuy cũng có ít nhiều liên quan. Những chi tiết kỹ thuật đều tập trung trong phần Chú thích ở cuối bài.
Phần I-Nhập đề
Neutrino là mảnh nhỏ nhất của thực tại vật chất mà con người từng hình dung ra, cái lớn nhất là vũ trụ.
Clyde Cowan và Frederick Reines
Trong câu mở đầu của bản báo cáo về sự kiện lần đầu tiên phát hiện ra hạt cơ bản neutrino ở lò phản ứng hạt nhân Savannah River (South Carolina, Mỹ), hai nhà vật lý Cowan và Reines (giải Nobel 1995) dùng động từ hình dung ra, điều gây chút ngạc nhiên cho người viết bài này khi đọc câu đó lần đầu, nhưng suy ngẫm lại mới càng thấy thấm đượm.
Thực thế, khi con người xây dựng được một hệ thống nghiêm túc của những ý tưởng và suy luận chặt chẽ, nhất quán cũng như những ngôn từ tương xứng để diễn tả và giải thích thế giới bên ngoài cũng như khám phá những hiện tượng mới lạ và những định luật chi phối điều hành chúng, thì theo nghĩa đó họ đã hình dung ra thực tại của Tự nhiên mà Hạt cơ bản và Vũ trụ là ví dụ điển hình về cái mà chúng ta hiểu biết về hai thái cực vô cùng nhỏ cũng như vô cùng lớn đó. Hạt cơ bản có vai trò nào trong cuộc tìm kiếm cội nguồn của con người nối liền quá khứ với tương lai trong vũ trụ, chúng ta từ đâu đến, là gì, về đâu, những câu hỏi muôn thuở?
Khái niệm về hạt cơ bản (viên gạch vi mô của vật chất, không thể chia cắt nổi) hay vũ trụ (tổng thể vĩ mô bao trùm vạn vật cả không gian và thời gian) - mà con người từng nhận định ra - không duy nhất, sự hiểu biết về chúng thăng trầm theo các thời đại và các nền văn hiến.
Hết rồi thời xa xưa khi kim, mộc, thủy, hỏa, thổ là 5 thành phần sơ cấp cốt lõi của vật chất. Mới cách đây trăm năm thôi phân tử vẫn còn được coi là hạt sơ đẳng. Ngày nay chúng ta biết phân tử chỉ là tập hợp của nhiều nguyên tử khác nhau liên kết bởi electron ngoại vi, mà mỗi nguyên tử lại được cấu tạo bởi hạt nhân của nó với những electron dao động chung quanh, rồi hạt nhân nguyên tử cũng lại do proton cùng neutron gắn kết với nhau mà thành, sau hết proton và neutron cũng đều là trạng thái cấu tạo bởi quark u, d được gắn kết bởi gluon. Cứ thế như những con búp bê Nga liên hồi chứa đựng nhau, chuỗi dài của những hạt cơ bản đi từ phân tử đến quark là cả một quá trình sáng tạo, khám phá bền bỉ khi lên lúc xuống, lý thuyết cùng thực nghiệm chặt chẽ đan xen.
Còn vũ trụ từ thuyết địa tâm trước thời Copernic, Galilei tới thuyết Nổ Bùng (Big Bang) ở thuở nguyên sơ cách đây gần 14 tỷ năm, tại thời điểm đó vật chất-không gian-thời gian là một, gia tốc của vũ trụ giảm dần trong khoảng 7 tỷ năm đầu rồi từ đó đến nay lại tăng nhanh, một phạm trù kỳ diệu nhưng khác với hạt cơ bản nên không đề cập tiếp ở đây.
Khoa học nói chung là cái mãi mãi phải đi tìm, không có điểm tận cùng.
Vật lý hạt cơ bản có mục tiêu là tìm kiếm, phân loại các thành phần sơ cấp của vật chất và quan trọng hơn là phám khá những tính chất cũng như những định luật cơ bản chi phối sự vận hành của chúng. Mô hình Chuẩn (SM) của ngành Vật lý hạt cơ bản là lý thuyết diễn tả toàn vẹn và giải thích nhất quán những đặc trưng của những viên gạch cấu tạo nên vật chất, dưới tác động của 3 trong 4 lực cơ bản của Tự nhiên: lực điện-từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu để từ đó vạn vật được hình thành và biến hóa. Hạt cơ bản tiêu biểu hơn cả là electron được khám phá lần đầu tiên bởi Joseph John Thomson năm 1897. Electron chính là gốc nguồn của hiện tượng điện-từ mà ngay từ thời xa xưa con người đã cảm nhận thấy có cái gì liên quan đến điện khi nhìn sấm sét trên trời mưa bão cũng như khi rà sát hổ phách có thể bị điện giật nảy mình. Từ ánh đèn lân quang thời xa xưa đến iPad tân kỳ thời nay, dấu ấn của electron vô hình trung ngày càng đậm nét trong nếp sống của mỗi chúng ta.
Hiện tình của các hạt cơ bản1 được tóm lược trong sơ đồ Hình 1, chúng gồm có ba phần: thứ nhất là mười hai hạt có spin ½ như quark và lepton vắn tắt gọi chung là trường vật chất; thứ hai là bốn boson chuẩn có spin 1 gồm photon g của lực điện-từ, gluon g của lực mạnh, hai boson W, Z của lực yếu, gọi chung là trường lực; thứ ba là boson Higgs có spin 0 đóng vai trò chủ động tạo nên khối lượng cho vạn vật.
Hình 1: Sơ đồ các hạt cơ bản trong Mô hình Chuẩn (SM) Ở trung tâm của Hình 1, duy nhất boson Higgs mang màu xám nhạt như để nhắc nhở là hạt này, tuy là điểm mấu chốt của SM để trước hết mang khối lượng cho hai boson chuẩn W, Z của lực yếu, nhưng tại thời điểm của hình vẽ lại chưa được thực nghiệm khẳng định, khác với quark, lepton, boson chuẩn (Z, W, g, g) đã được thực nghiệm xác nhận là hiện hữu. Rất có thể kể từ ngày mồng 4 tháng 7 năm 2012, màu xám của hạt Higgs sẽ rực rỡ ánh vàng vì hai nhóm thực nghiệm ATLAS và CMS ở Trung tâm Âu châu Nghiên cứu Hạn nhân (CERN) vừa tìm ra dấu vết nó trong máy siêu gia tốc Large Hadron Collider (LHC).
Vật chất (quark cũng như lepton) tương tác với nhau qua sự trao đổi các boson chuẩn. Boson chuẩn có vai trò làm trung gian nối kết và truyền tải lực để các viên gạch vật chất cơ bản (quark hay/và lepton) tương tác với nhau.
Có 6 loại quark mang ký hiệu u (up), d (down), s (strange), c (charm), t (top), b (bottom) và 6 loại lepton bao gồm 3 hạt e– (electron), μ– (muon), τ– (tauon) mang điện tích âm -e, và 3 hạt neutrino ne, nμ, nτ trung hòa điện tích, theo thứ tự ba hạt neutrino này bao giờ cũng sánh đôi từng cặp với ba hạt electron, muon, tauon trong tương tác của chúng. Sự cân bằng số lượng 6 loại quark và 6 loại lepton không phải ngẫu nhiên mà liên đới sâu sắc đến tính đối xứng chuẩn và tính tái chuẩn hóa trong lý thuyết trường lượng tử, nền tảng trên đó SM được xây dựng.
Lực mạnh gắn kết hạt cơ bản quark u, d trong hạt nhân nguyên tử và làm cho vật chất vững bền nói chung. Lực điện-từ diễn tả electron tương tác với hai quark u, d trong hạt nhân nguyên tử để tạo dựng nên nguyên tử của các nguyên tố hóa chất trong bảng tuần hoàn Mendeleïev cũng như của các tế bào sinh vật trên trái đất. Lực yếu của quark và lepton chi phối sự phân rã của các hạt nhân nguyên tử, điều khiển các phản ứng nhiệt hạch trong lòng các ngôi sao, mang ánh sáng cho bầu trời ban đêm cũng như phát tán muôn tỷ hạt neutrino từng giây phút xuyên qua da thịt chúng ta.
Lực mạnh của các quark trao đổi gluon g giữa chúng với nhau được gọi là Sắc động lực học lượng tử (Quantum Chromodynamics viết tắt là QCD), thuật ngữ mô phỏng Ðiện động lực học lượng tử (Quantum Electrodynamics hay QED) là lý thuyết trường lượng tử đã được hoàn tất thời “tiền SM” để diễn tả lực điện-từ của các hạt mang điện tích trao đổi photon g giữa chúng. Do đó SM bao gồm lực mạnh (QCD), lực điện từ (QED) và lực yếu; hơn nữa lực điện-từ và lực yếu lại được thống nhất thành lực Điện-Yếu (Electroweak).
Nếu điện tích là tính chất thường gắn bó với lực điện-từ cũng như khối lượng với lực hấp dẫn, thì danh từ sắc tích (color charge) là để chỉ định thêm một tính chất lượng tử đặc thù của các hạt quark. Cũng như danh từ quark, danh từ sắc dùng ở đây là thuật ngữ riêng của Vật lý hạt cơ bản, nó chẳng có chút liên hệ nào với màu sắc xanh, đỏ của ngôn ngữ thông thường. Thực thế, trong vật lý lượng tử, có một định lý liên kết spin với phép thống kê Fermi-Dirac, theo đó các fermion (hạt có spin bằng n + ½, n là một số nguyên) không thể đồng nhất cùng chiếm lĩnh một trạng thái vật lý xác định bởi năng lượng, spin, vận tốc, vị trí, hay bất kỳ một đặc tính nào. Ví dụ hai fermion khi ở chung một điểm không gian thì chúng phải có hoặc vận tốc hoặc chiều quay của spin khác nhau; nếu cùng vận tốc thì spin của chúng phải quay ngược chiều hoặc không ở chung một vị trí. Đó là những hạt có cá tính mạnh mẽ, sự phân bố trạng thái các hạt fermion phải tuân theo phép thống kê Fermi-Dirac. Thống kê này có thể phần nào giải thích tại sao cũng với từng ấy mật độ electron mà có những vật liệu cái thì cách điện, cái thì dẫn điện, thậm chí siêu dẫn điện-từ. Tính chất này của fermion hoàn toàn trái ngược với tính hoà đồng trong cùng một trạng thái của boson (mang spin số nguyên như 0, 1) minh hoạ bởi chùm ánh sáng laser ở đó muôn vàn photon trong cùng một trạng thái chung sống.
Vì quark là fermion nên khi 3 quark u, u, d kết hợp với nhau ở trạng thái căn bản (năng lượng liên kết cực tiểu) để tạo thành proton thì sự kết hợp đó phải phản đối xứng (đổi dấu) trong bất kỳ sự giao hoán nào giữa các cặp fermion. Tính phản đối xứng này chỉ hoàn thành nếu các quark, ngoài điện tích và khối lượng ra, phải có thêm một tính chất gì nữa để chúng tự khác biệt với nhau, phải gắn cho mỗi quark ba đặc trưng riêng biệt, (xem hình 2). Đáng lẽ gắn ba đặc tính này bằng ba con số 1, 2, 3 hoặc ba con chữ a, b, c thì các nhà vật lý hạt dùng ba màu đỏ, xanh, lam mang tên sắc tích để tượng trưng cho tính lượng tử đặc thù này của quark. Giả thiết về 3 sắc tích của quark sau đó được chứng minh chính xác bởi nhiều thực nghiệm khác nhau và sẽ được đề cập sau trong những Phần II, III, IV.
Hình 2: Ba sắc tích của quark.
Quark, ngoài điện tích còn mang 3 sắc tích, tượng trưng bởi 3 màu. Proton cấu tạo bởi hai quark u và một quark d còn neutron bởi hai quark d và một quark u. Ba sắc tích khác nhau của quark được hoà quyện đều đặn để cuối cùng proton và neutron trung hoà sắc tích, cũng như điện tích âm và dương của electron và proton hoà quyện để nguyên tử trung hoà điện tích.
Quark khác lepton ở chỗ là ngoài sắc tích ra (lepton không có sắc tích), chúng cũng mang điện tích, nhưng điện tích của chúng không phải là con số nguyên -e như electron mà là +(⅔)e cho ba quark u, c, t và -(⅓)e cho ba quark d, s, b.
Chính vì quark có cả điện tích và sắc tích nên chúng bị chi phối bởi cả 3 lực: điện-từ, hạt nhân yếu, hạt nhân mạnh. Còn electron, muon, tauon vì mang điện tích và không có sắc tích nên chỉ bị tác động bởi 2 lực: điện-từ và yếu. Neutrino không có cả sắc tích lẫn điện tích nên bị điều hành duy nhất bởi lực yếu.
Hai lực điện-từ và yếu, tuy cường độ tương tác hiệu dụng của chúng quá khác biệt, nhưng hai lực này lại có nhiều đặc tính chung nên có thể kết hợp trong một tương tác duy nhất gọi là Điện-Yếu, một trong hai trụ cột của SM; trụ cột thứ hai là Sắc động lực học lượng tử diễn tả lực hạt nhân mạnh. Sự thống nhất hai hiện tượng điện-từ và yếu trong cùng một quy luật là một bước tiến lớn của vật lý ở cuối thế kỷ 20, có thể ví như sự tổng hợp ba hiện tượng điện, từ và quang ở cuối thế kỷ 19. Hai nguyên lý nền tảng, làm ngọn hải đăng chỉ đường cho sự hợp nhất này, là đối xứng chuẩn định xứ (local gauge symmetry) và sự phá vỡ tự phát (spontaneous breaking) của nó. Sự phá vỡ này, được gọi là cơ chế BEH (Brout-Englert-Higgs, tên của ba trong sáu tác giả đã đề xuất ra nó), có nhiệm vụ là mang khối lượng cho vạn vật.
Lực cơ bản thứ tư, lực hấp dẫn (diễn tả bởi thuyết Tương đối rộng) kiến tạo nên cấu trúc của vũ trụ bao la và chi phối sự vận hành của các thiên thể, còn ba lực phi hấp dẫn nói trên chủ yếu chỉ tác động trong thế giới vi mô của vật lý hạt; ba lực này đều xây dựng trên nền tảng của thuyết Lượng tử. Tuy nhiên lượng tử không chỉ giới hạn ở đó mà còn lan tỏa sang hầu hết các ngành vật lý khác.
Dẫu hiện diện khắp nơi trong cả hai thế giới vi mô và vĩ mô, nhưng ở phạm vi hạ nguyên tử vì lực hấp dẫn có cường độ tác động quá nhỏ khoảng 10-39 so với cường độ của ba lực kia nên cụ thể không quan trọng.
Trái lại tại những thời khắc ban đầu của Vụ Nổ Lớn (Big Bang) của vũ trụ hay trong trạng thái khi một số thiên thể tàn lụi để trở thành Lỗ đen (Black hole), trong một không gian nén ép vô cùng nhỏ với mật độ, năng lượng và nhiệt độ vô cùng lớn (gọi chung là bức tường Planck), thì cường độ trọng lực lại rất mạnh tương tự như cường độ của ba lực phi hấp dẫn. Vì tất cả bốn lực đó cùng đóng vai trò chủ chốt ở Lỗ đen và ở cái không-thời điểm Big Bang ban đầu đó, chúng phải mặc nhiên hòa nhập với nhau trong cùng một hệ thống chặt chẽ và nhất quán để lý giải mọi hiện tượng. Tuy nhiên, sự thống nhất cần thiết này giữa hai cột trụ của vật lý là Tương đối rộng và Lượng tử đến nay chưa được các nhà vật lý thực hiện nổi, mặc dầu biết bao cố gắng từ nhiều năm qua. Nguyên do chính yếu là không như ba lực phi hấp dẫn đã thành công trong việc được lượng tử hóa và tái chuẩn hóa thì thuyết Tương đối rộng chưa thể nhất quán hoà hợp với Lượng tử. Đó có lẽ là vấn đề hóc búa số một của vật lý hiện đại.
Tạm gác lại câu hỏi trên, ta trở về với SM của hạt cơ bản. Tuy mới ra đời non nửa thế kỷ nay (thuyết Điện-Yếu và Sắc động lực học ra đời những năm 1970), quãng thời gian tương đối ngắn so với nhiều ngành khoa học khác trong tiến trình khám phá (với lý thuyết và thực nghiệm luôn liên kết hỗ tương), với khoảng 30 khôi nguyên của giải Nobel vật lý trong ba mươi năm gần đây, SM đã mang lại cả một kho tàng tri thức khoa học đồ sộ, tiên đoán nhiều hiện tượng và hạt mới lạ cũng như những tính chất độc đáo của chúng mà sau đó đều được thực nghiệm kiểm chứng với độ chính xác đáng kinh ngạc. Hãy tạm kể sự khám phá dòng trung hòa điện tích của lực hạt nhân yếu; các loại quark duyên, đáy, đỉnh; hai boson chuẩn W, Z; chỉ hiện hữu có ba neutrino với khối lượng cực kỳ nhỏ thôi; hạt khối lượng ≈ 125 GeV/c2 vừa phát hiện tháng 7 năm 2012 ở Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Âu châu (CERN).
Sự kiện lịch sử này được các nhà vật lý hồi hộp đón chờ từ năm 1994 khi CERN quyết định xây dựng máy gia tốc LHC có năng lượng cao nhất thế giới để săn tìm hạt Higgs. Nếu thực nghiệm khẳng định nó chính là hạt boson mang spin 0 mà Peter Higgs đề xuất với những kiểu sản xuất và phân rã của nó đúng như SM tiên đoán, thì chúng ta đang chứng kiến một chương cũ sắp khép lại và một trang sử mới đang ló rạng của vật lý. Khép chương cũ vì đã hoàn tất một đoạn đường dài là tất cả 17 loại hạt cơ bản trong Hình 1 đều được thực nghiệm phát hiện hết, không còn gì thiếu sót. Điều này khẳng định hơn bao giờ hết sự vững chắc của SM, một hệ hình mà từ đây mọi phát triển sau này đều phải dựa vào để phát triển xa hơn nữa.
Mở chương mới, vì cơ chế BEH thực sự lên ngôi. Cơ chế này có thể ảnh hưởng sâu rộng đến nhiều ngành khác, nó ra đời thông qua một phối hợp hài hòa giữa hai ngành khác biệt: vật lý chất rắn (siêu dẫn điện-từ) và vật lý hạt (lực yếu của neutrino). Cách tiếp cận quy giản của các nhà vật lý hạt qua việc tìm kiếm phương trình cơ bản mới lạ đã huởng thụ cách tiếp cận hiệu dụng, đột khởi, thiên về tìm kiếm những nghiệm số nhiều khi chỉ là xấp xỉ, tương ứng với muôn vàn điều kiện ban đầu cụ thể nào đó của hai phương trình căn bản Maxwell và Dirac đã biết sẵn, quả là một bài học phong phú.
Chương mới trong vật lý vì đây là lần đầu con người khám phá ra một lực mới lạ, diễn tả bởi trường Higgs, mang khối lượng cho vật chất, coi như lực thứ năm của Tự nhiên, bên cạnh bốn lực cơ bản quen thuộc nói ở trên. Cũng như trường điện-từ cho ánh sáng hay trường trọng lực lôi hút vạn vật, trường Higgs tràn đầy vũ trụ. Nó gợi ra cách tiếp cận mới về khối lượng của vật chất, khác với quan điểm cố hữu coi khối lượng là cái gì cho trước bởi Tự nhiên mà không ai hiểu nguồn gốc sâu xa. Theo SM, khối lượng của vật chất được tạo ra bởi sự tương tác của chúng với trường Higgs trong chân không của vũ trụ từ thủa nguyên thủy của Vụ Nổ Lớn. Khởi đầu tất cả đều không có khối lượng, do tương tác với trường Higgs mà vật chất mang khối lượng, nặng hay nhẹ tùy theo cường độ tương tác lớn hay nhỏ của chúng, càng tác động mạnh với trường Higgs thì vật chất càng có khối lượng lớn.
Đoạn đường mới với câu hỏi tiếp: Tuy trường Higgs mang khối lượng cho vạn vật, nhưng cái gì mang lại khối lượng 125GeV/c2 cho chính boson Higgs mà LHC vừa khám phá ra? Đừng quên là khoảng 96% năng-khối lượng của vũ trụ (mệnh danh là năng lượng tối và vật chất tối) hãy còn ở ngoài sự hiểu biết hiện nay của con người. Chúng ta ý thức rằng SM không phải là giải đáp cuối cùng của mọi vấn đề cơ bản vì hiển nhiên trong SM hãy còn nhiều thông số và hạt mà chúng ta không hiểu tại sao lại thế; có thể coi đó là những thiếu sót về mặt toàn hảo mỹ thuật.
Trái lại, nếu sắp tới thực nghiệm cho ta biết hạt vừa được khám phá ở CERN không phải là boson Higgs mà là cái gì khác lạ, thì sự kiện này cũng đánh dấu một bước ngoặt không kém phần thú vị, đầy triển vọng và mang đến nhiều câu hỏi cho ngành vật lý hạt, thường được gọi là Vật lý Mới. Cơ chế BEH của sự phá vỡ đối xứng chuẩn để mang khối lượng cho lực yếu cần phải thay đổi hay/và bổ sung bởi một cái gì đó chưa ai biết rõ, có thể chiều dư của không gian như một ứng viên chăng?
Trong cả hai trường hợp, một chân trời kỳ thú đang đón chờ, nhưng trước hết chúng ta hãy ôn cố tri tân, cùng nhau học hỏi những điều mà bao người siêu việt đi trước mở đường soi sáng. Trước khi đi vào chi tiết của SM trong những phần sau, hãy liệt kê vài nét tổng quan đặc thù của ngành vật lý hạt cơ bản:
1- Thứ nhất, cách tiếp cận quy giản qua sự tìm kiếm định luật căn bản thuộc về biên giới của tri thức. Trong khi đó, nhiều ngành vật lý khác có cách tiếp cận hiệu dụng và đột khởi thiên về tìm hiểu cũng như khai thác những hiện tượng xảy ra trong những trạng thái vật chất, tức là những nghiệm số (tương ứng với những điều kiện cụ thể nào đó) của những định luật cơ bản mà SM khám phá ra.
Lấy một ví dụ để minh họa, hạt electron tuân thủ phương trình cơ bản Dirac, còn vật lý chất rắn thì khai thác những tính chất phong phú của chất bán dẫn, siêu dẫn do tác động của electron vận hành trong những điều kiện đa dạng của vật chất. Dưới nhãn quan quy giản của nhà vật lý hạt cơ bản thì tất cả mọi tính chất của các hệ thống vật chất, dẫu phức tạp phong phú đến mấy đều đương nhiên là phải như vậy, bởi vì những viên gạch sơ cấp cấu tạo nên hệ thống đó tuân thủ những nguyên lý của SM và được điều hành bởi ba lực cơ bản: điện-từ, mạnh và yếu.
Một bên thì tìm kiếm phương trình cơ bản chi phối sự vận hành tổng quan của vật chất, bên kia thì tìm tòi khai thác những nghiệm số phong phú đa dạng của phương trình cơ bản với những điều kiện khác nhau của môi trường vĩ mô trong đó vật chất được đặt vào. Hai cách tiếp cận quy giản và đột khởi bổ sung cho nhau, cũng như nghiên cứu cơ bản và ứng dụng qua lại đan xen lẫn nhau, không có cái này thì cũng không thể có cái kia.
2- Thứ hai, những công nghệ tân tiến mũi nhọn về vật liệu, điện tử, siêu dẫn, máy tính được tận dụng và khai thác để xây dựng những đường hầm rất dài và sâu cho những máy siêu gia tốc và những công cụ thực nghiệm cực kỳ phức tạp và tinh vi với mục tiêu sản xuất, phân tích, khám phá những hạt cơ bản và hiện tượng mới lạ, kiểm chứng hoặc bác bỏ những đặc tính của các hạt mà lý thuyết tiên đoán hay đề xuất. Ngành vật lý này đôi khi được gọi một cách trào phúng là “Đại Khoa học ” (Big Science) vì những máy gia tốc và dò tìm hạt đều hoành tráng, khổng lồ, được ví von như những giáo đường hay kim tự tháp kỳ vĩ của thời xa xưa.
3- Thứ ba, sự cộng tác trao đổi thường xuyên và cần thiết giữa những nhà vật lý hạt ở khắp năm châu và sự tập trung nghiên cứu trong một vài cơ quan quy mô quốc tế với hàng ngàn nhà vật lý thường trực như CERN, DESY ở Âu châu, Fermi-lab, SLAC, Brookhaven ở Mỹ châu, KEK ở Nhật bản.
Sự kiện thành lập CERN quả là một bài học vượt xa đối tượng khoa học thuần tuý. Trên cánh đồng hoang lác đác mấy chú bò ăn cỏ ở Ferney-Voltaire biên giới Pháp-Thụy Sĩ, ngay sau Thế chiến thứ hai, nhiều nhà vật lý Âu châu di tản khắp nơi vì nạn phát xít đã trở về cố hương cùng đồng nghiệp ở lại xây dựng nên CERN. Vì hòa bình và phát triển qua nghiên cứu cơ bản, với sự hỗ trợ tích cực của một số chính khách Pháp, Đức, Anh có tầm nhìn xa, họ đã chung sức mở đường cho sự hồi sinh và hoà giải của các nước Âu châu. Mỗi nước riêng lẻ không sao đủ nhân sự và phương tiện để hoàn thành sứ mạng, nguyên tắc tổ chức của CERN - tập hợp đóng góp tài năng, ngân quỹ từ nhiều nước - đã tiên phong làm mô hình cho nhiều ngành hoạt động khoa học khác phỏng theo từ thiên văn, sinh học, thậm chí cả chính trị, CERN ra đời nhiều năm trước Liên minh Âu châu. Mạng lưới toàn cầu (world wide web) của internet ra đời ở đó khoảng năm 1990 là một trong nhiều thành công kỳ diệu từ nghiên cứu cơ bản sang ứng dụng của cơ quan này, máy chụp hình scanner trong y học, công nghệ siêu dẫn điện-từ tạo nên những khối nam châm khổng lồ là vài ví dụ khác. Hơn nữa CERN còn giang tay đón mời sự cộng tác của những tài năng đến từ khắp mọi miền trên trái đất, kể cả những nước đang phát triển để tận mắt tận tay học hỏi rồi sáng tạo. Một cơ hội ngàn vàng đối với tài năng trẻ Việt Nam để tiếp cận với nghiên cứu quốc tế trong chương trình quan trọng này, ở những lãnh vực thuộc biên giới của tri thức nhân lọai.
Xem tiếp Phần II- Chuyện kể về quarkChú Thích Phần I1Những thuật ngữ như Lượng tử, Trường lượng tử, Tái chuẩn hóa, Spin, Sắc tích, Quark, Lepton, Phản quark, Phản vật chất, Đối xứng chuẩn, Phá vỡ tự phát, Cơ chế BEH … sẽ dần dần được đề cập, giải thích trong những phần sau II,III, IV.
Rất khó soạn một cuốn sách giáo khoa về ngành vật lý hạt ở trình độ cử nhân, nhưng nếu chọn thì có lẽ đây là cuốn sách hay và dễ đọc nhất, có thể lấy miễn phí trên internet
http://www2.fisica.unlp.edu.ar/materias/seminariopyc/Griffiths.pdfTác giả David Griffiths của cuốn sách cho rằng thời điểm đã chín muồi để môn vật lý hạt nằm trong chương trình cử nhân vật lý đại cương.
Tài liệu tham khảo:
-The Rise of the Standard Model, công trình hồi ức tập thể của hơn 40 tác giả tiêu biểu (với 13 giải Nobel) đã khám phá ra Mô Hình Chuẩn, Ed. by Lillian Hoddeson, Laurie Brown, Michael Riordan, and Max Dresden, Cambridge University Press (1997).
- Yoichiro Nambu, Quarks, World Scientific (1985).
- Steven Weinberg, The Making of the Standard Model, arXiv: hep-ph 0401010, (2004).
- Về hạt Higgs liên đới đến hiện tượng Siêu dẫn điện-từ (Anderson, Cooper, Nambu)
http://www.conferences.uiuc.edu/bcs50/video.html
