Tài liệu của Higgs về "hạt của Chúa" từng bị từ chối, "hạt của Chúa"

Tài liệu của Higgs về "hạt của Chúa" từng bị từ chối, "hạt của Chúa" bị gọi đùa là "hạt chết tiệt" …

Nhà vật lí Peter Higgs bên máy dò phát hiện "hạt của Chúa" (CMS) tại Phòng Thí nghiệm Vật lí Nguyên tử châu Âu (CERN) (Thụy Sĩ).

Theo Wikipedia, trong vài thập kỷ qua, ngành vật lý hạt xây dựng được mô hình lý thuyết chuẩn, tạo nên khuôn khổ về sự hiểu biết các hạt và tương tác cơ bản trong tự nhiên. Một trong những thành phần cơ bản của mô hình này là trường lượng tử giả thiết phổ biến, "chịu trách nhiệm" cung cấp khối lượng cho các hạt. Trường này có tên gọi là trường Higgs. Nó là hệ quả của lưỡng tính sóng-hạt trong cơ học lượng tử và tất cả các trường lượng tử đều có một hạt cơ bản đi kèm. Hạt đi kèm với trường Higgs được gọi là hạt Higgs, hay boson Higgs, theo tên của nhà vật lý Peter Higgs.

Hạt Higgs còn được gọi là hạt của Chúa hay hạt Chúa trời. Hạt Higgs, nếu tồn tại, sẽ chứng tỏ được sự tồn tại của vật chất tối (được cho là chiếm đến 3/4 vũ trụ).

Vì trường Higgs "chịu trách nhiệm" về khối lượng, việc các hạt cơ bản có khối lượng được nhiều nhà vật lý coi như một dấu hiệu cho thấy sự tồn tại của trường Higgs. Nếu hạt Higgs tồn tại, có thể suy ra khối lượng của nó dựa trên tác động mà nó tạo ra đối với thuộc tính của các hạt và trường khác. Tuy nhiên, việc hạt Higgs có tồn tại hay không vẫn là điều nhiều người tranh cãi.

1. Tài liệu nổi tiếng của Peter Higgs về "hạt của Chúa" từng bị từ chối

Năm 1964, nhà vật lý Peter Higss viết 2 tài liệu, mỗi văn bản dài 2 trang, về thứ mà ngày nay được gọi là trường Higgs. Chuyên san Physics Letters công nhận tài liệu đầu tiên và gửi trả bản thứ 2 cùng gợi ý rằng: Higgs nên bổ sung thêm một phần giải thích những tác động về mặt vật lí trong thuyết của ông. 

Higgs thêm vào tài liệu một đoạn dự đoán rằng: sự kích thích của trường này, giống như sóng trong đại dương, sẽ tạo ra một hạt mới. Sau đó, ông nộp bản sửa tới chuyên san Physical Review Letters và nó được đăng.

2. Bộ trưởng Khoa học Anh từng 

Theo mô hình của Higgs, các hạt cơ bản có khối lượng nhờ tương tác với một trường vô hình, có mặt khắp nơi. Càng tương tác nhiều với trường Higgs, hạt mới này càng có khối lượng lớn. Các nhà khoa học gặp khó khăn trong việc giải thích về trường Higgs tới mức, năm 1993, Bộ trưởng Khoa học Anh William Waldegrave tổ chức cuộc thi tầm quốc gia, tìm lời giải thích xuất sắc nhất (chỉ dài 1 trang giấy) cho giả thuyết của Higgs.

Ông Waldegrave trao rượu sâm panh cho những người thắng cuộc, bao gồm nhà vật lí David Miller. Ông Miller so sánh trường Higgs với một nhóm người thuộc một đảng phái chính trị dàn đều khắp một căn phòng. Một người vô danh bất kỳ có thể di chuyển qua đám đông mà không gặp cản trở. Tuy nhiên, Thủ tướng Anh thời đó, bà Margaret Thatcher, thì sẽ thu hút được nhiều sự chú ý: họ cụm lại xung quanh bà, làm bà bị chậm lại và khiến bà có “khối lượng” lớn hơn. 

3. Cơ chế Higgs chỉ giải thích được một phần nhỏ về khối lượng trong vũ trụ

Hầu hết các bài báo khoa học nổi tiếng đều khiến độc giả tin rằng: mô hình Higgs mang lại khối lượng của tất cả mọi thứ trong vũ trụ. Tuy nhiên, trường Higgs chỉ mang lại khối lượng cho những hạt cơ bản như electron hay hạt quark (hạt vi lượng). 

Hầu hết vũ trụ mà ta có thể quan sát được đều được cấu tạo từ các hạt tổng hợp như proton hay nơtron - những hạt chứa hạt vi lượng. Cũng giống như một ổ bánh mì nho khô thì sẽ nặng hơn tổng khối lượng các hạt nho khô của nó, hạt proton và nơtron cũng nặng hơn hạt vi lượng bên trong chúng. Khối lượng của chúng chủ yếu tới từ lực hạt nhân mạnh có khả năng giữ những hạt vi lượng ở gần nhau. 

4. Higgs không phải là nhà vật lí duy nhất đóng góp ý tưởng về cách các hạt có khối lượng

Ít nhất một tá các nhà lý luận đóng một vai trò nào đó trong việc phát triển khung lý thuyết dẫn tới sự phát hiện ra hạt Higgs. Năm 2010, Hiệp hội Vật lý Mỹ trao giải J.J. Sakurai Prize cho 6 nhà vật lý, những người  từng công bố tài liệu của họ về vấn đề này năm 1964. Một số nhà lí luận khác cũng nảy ra các ý tưởng tương tự và những công bố trước của họ cũng giúp mở đường cho việc tìm ra loại hạt này. Điều này gây khó khăn cho Hội đồng trao giải Nobel của Thụy Điển khi mà giải thưởng Nobel Vật lí hàng năm chỉ có thể được được trao cho tối đa 3 nhà khoa học còn sống.

Hình ảnh mô phỏng sự va chạm giữa 2 hạt phôton trong máy dò CMS.

5. Từ boson bắt nguồn từ tên nhà toán học, nhà vật lý học người Ấn Độ Satyendra Nath Bose

Có 2 loại hạt: hạt boson và hạt fermion. Hạt Higgs được xếp vào nhóm các hạt boson. Nhóm hạt này được đặt theo tên một nhà vật lí học người Ấn Độ Satyendra Nath Bose nổi tiếng bởi sự hợp tác với Albert Einstein những năm 1920. Một trong những kết quả mà cặp đôi này đạt được là thống kê Bose – Einstein, một cách thức được dùng để miêu tả hoạt động của một lớp các hạt mang tên Bose. 

Hai hạt boson với thuộc tính giống hệt nhau có thể ở cùng một vị trí trong cùng một thời điểm, nhưng 2 hạt fermion thì không. Điều đó giải thích tại sao các proton thuộc nhóm hạt boson có thể di chuyển cùng nhau trong các chùm tia laser tập trung, còn các hạt electron thuộc nhóm hạt fermion phải ở cách xa nhau. Cũng vì thế mà electron phải tồn tại ở các quỹ đạo riêng biệt trong các nguyên tử. 

Bose chưa bao giờ nhận được bằng Tiến sĩ, cũng không được trao giải Nobel cho công trình nghiên cứu của mình, trong khi đó, ủy ban trao giải Nobel lại công nhận những nhà khoa học khác với nghiên cứu có liên quan tới các khái niệm mà ông này phát triển.

6. Cái tên "hạt của Chúa" bắt nguồn từ chủ nhân giải Nobel

Nhà vật lí học Leon Lederman vô tình đặt tên cho boson Higgs (hạt Higgs) giống như tên cuốn sách của ông: "hạt của Chúa" (God). Lederman nói đùa rằng, thực ra ông muốn gọi hạt Higgs là "hạt chết tiệt" (goddamn) bởi quá khó khăn để tìm ra nó. Cái tên đặc biệt này đã thu hút sự chú ý của dư luận.

Cuốn sách "Hạt của Chúa" với ảnh bìa là tác giả Leon Lederman.

7. Mô hình chuẩn có thể vẫn dở dang dù tìm ra hạt Higgs

Hạt Higgs là loại hạt cuối cùng chưa được phát hiện theo như Mô hình chuẩn, thuyết mô tả các thành phần nhỏ nhất của vật chất và cách mà chúng tương tác với nhau. 

Tìm ra hạt Higgs không có nghĩa là bí ẩn về vật lí hạt có thể khép lại. Mô hình chuẩn lí giải về các lực cơ bản như lực điện từ, lực hạt nhân (còn gọi là tương tác mạnh) nhưng lại không thể đưa ra lời giải thích về trọng lực. Có thể chúng ta chỉ trải nghiệm một phần của trọng lực bởi có khả năng nó còn gây ra tác động theo nhiều chiều khác một cách bí ẩn.

8. Nếu hạt Higgs tồn tại, có thể nó có "chị em"

Nhiều nhà lí luận cố gắng giải thích về các hạt biết trọng lượng của nó mà không có hạt Higgs nhưng chưa ai đưa ra được một mô hình thành công. Trên thực tế, theo lý thuyết siêu đối xứng, có ít nhất 5 loại hạt Higgs. 

Phỏng đoán này có chính xác không còn phụ thuộc vào các thí nghiệm của CERN với máy gia tốc hạt lớn (LHC) và Phòng Thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi (Fermilab, Mỹ) với máy gia tốc Tevatron. 

Quá trình thực nghiệm hoàn tất nhưng dữ liệu vẫn đang được phân tích để khám phá xem hạt Higgs liệu có tồn tại và nếu đúng như vậy, đó có phải là loại hạt chúng ta vẫn mong đợi?

9. Các nhà khoa học có thể "thoáng thấy" hạt Higgs hơn 1 thập kỉ trước

Vào năm 2000, một điều kì thú xảy ra khi máy gia tốc hạt Electron–Positron lớn (LEP) chuẩn bị ngừng hoạt động sau 11 năm vận hành. Các thí nghiệm của LEP bắt đầu cho thấy dấu hiệu của một thứ gì đó giống như hạt Higgs với trọng lượng khoảng 115 GeV/c2 (bằng trọng lượng của nguyên tử iot). 

Các nhà khoa học thuyết phục lãnh đạo của CERN để cho LEP hoạt động thêm 6 tuần nữa. Trong khoảng thời gian đó, nhiều sự kiện liên quan tới hạt Higgs xảy ra làm họ tiếp tục xin gia hạn thời gian vận hành LEP nhưng cuối cùng bộ máy này vẫn bị dỡ bỏ và được thay thế bằng LHC. Kết quả mới nhất của LHC (công bố vào tháng 12/2011) xác định rằng hạt Higgs nếu tồn tại sẽ có trọng lượng từ 115-130 GeV/c2.

Máy gia tốc hạt Electron–Positron lớn (LEP) của CERN.

10. Tìm ra loại hạt mới chỉ là màn mở đầu

Một thứ gì đó giống với hạt Higgs không có nghĩa nó chính là hạt Higgs. Thuyết Mô hình chuẩn mô tả khá cặn kẽ cách thức tương tác giữa hạt Higgs với các loại hạt khác. 

Các nhà vật lí sẽ phải nghiên cứu hàng loạt đặc tính của loại hạt mới cũng như thử nghiệm các tương tác trước khi xác định liệu hạt này có phải là hạt Higgs được mô tả trong Mô hình chuẩn của vật lí hạt không. Nếu đây lại là một loại hạt hoàn toàn mới, các nhà khoa học sẽ lại có nhiều bí ẩn cần khám phá