Hạt Higgs: Vũ trụ trong hạt bụi?

Phải chăng hạt boson Higgs vừa được tìm thấy tuần qua là một hạt như vậy?

Giáo sư Peter Higgs - Ảnh: reuters

Ngược dòng lịch sử

Từ xa xưa, con người đã có tham vọng tìm hiểu cấu trúc sâu xa nhất của vật chất. Mỗi trường phái đều đưa ra những giả thiết khác nhau tùy thuộc vào trải nghiệm và văn hóa của chính họ.

Chẳng hạn trong thời Hi Lạp cổ đại, Thales (624-546 trước Công nguyên - TCN) cho rằng vạn vật được tạo thành từ nước, Anaximenes (585-528 TCN) lại cho rằng vạn vật được tạo thành từ không khí, Heraclitus (khoảng 535-475 TCN), người nổi tiếng với câu nói “Không ai có thể tắm hai lần trên một dòng sông”, cho rằng vạn vật được tạo thành từ lửa vì lửa linh động và thay đổi không ngừng, còn Empedocles (490-430 TCN) lại cho rằng vạn vật được tạo thành bởi bốn nguyên tố là đất - nước - lửa - không khí, được liên kết với nhau bởi hai loại lực hút và lực đẩy.

Ở phương Đông cũng có những giả thiết tương tự. Nổi bật nhất là hai trường phái âm - dương và ngũ hành. Phái âm - dương cho rằng vạn vật đều do hai yếu tố âm và dương tương tác mà thành.

Còn phái ngũ hành thì cho rằng vạn vật là do năm yếu tố kim - mộc - thủy - hỏa - thổ tương hợp với nhau theo luật tương sinh - tương khắc mà tạo thành.

Tuy nhiên, đáng lưu ý là Anaxagoras (500-428 TCN) khi cho rằng vạn vật được cấu thành từ vô vàn những vật rất nhỏ, và đặc biệt là quan điểm của Democritus (460-370 TCN) khi cho rằng vạn vật được tạo thành từ các nguyên tử - tức các phần tử nguyên, nhỏ bé đến mức không thể phân chia thành nhỏ hơn được nữa.

Giả thiết về sự tồn tại của nguyên tử như là thành phần cấu tạo nên vật chất cuối cùng cũng được khoa học kiểm nghiệm sau hơn 20 thế kỷ. 

Chẳng hạn, năm 1808, Dalton đã tiến hành những thí nghiệm khẳng định sự tồn tại của nguyên tử. Nhưng phải sang thế kỷ 20, lý thuyết về vật lý nguyên tử mới có được những cơ sở chắc chắn, và cuối cùng phải đến những năm 1980 con người mới có thể trực tiếp nhìn được các nguyên tử thông qua kính hiển vi lực nguyên tử.

Như vậy trong 2.500 năm qua, con người đã đi qua những nấc thang nhận thức khác nhau về cấu trúc của vật chất. 

Ban đầu chỉ dừng lại ở những giả thuyết về sự tồn tại của các nguyên tố cơ bản cấu thành vạn vật, sau đó đi xa hơn bằng việc kiểm chứng bằng thực nghiệm sự tồn tại của không chỉ các nguyên tố, mà còn ở đơn vị cấu trúc nhỏ nhất của nó là các nguyên tử, và cuối cùng là ở mức hạ nguyên tử, tức các hạt cơ bản.

Máy gia tốc hạt lớn LHC - Ảnh: cms.desy.de

Thế giới của nhà Vật lý

Nhờ sự phát triển của vật lý ở thế kỷ 20, con người biết được nguyên tử không phải là đơn vị nhỏ nhất để cấu tạo nên vật chất - như gợi ý từ tên gọi của nó. Trên thực tế, các nguyên tử lại được cấu tạo từ các hạt nhỏ bé hơn nữa gọi là các hạt cơ bản.

Các hạt này được chia làm hai nhóm lớn: nhóm hạt Fermion tạo ra vật chất, như các quarks trong hạt nhân nguyên tử và các electron ở vỏ nguyên tử..., và nhóm các hạt boson tạo ra trường lực như các gluon (hạt truyền lực mạnh), W & Z boson (hạt truyền lực yếu), photon (hạt truyền lực điện từ) và graviton (hạt truyền lực hấp dẫn).

Mọi vật trong vũ trụ, cả dưới dạng chất và trường, đều được tạo thành từ các hạt cơ bản này.

Kích thước của các hạt cơ bản vô cùng nhỏ bé, cỡ một phần triệu tỉ mét. Vì thế, muốn hiểu các hạt này thì phải có các lý thuyết để khảo sát ở kích thước này. Lý thuyết đó là cơ học lượng tử.

Theo lý thuyết này thì các hạt nhỏ bé trên có các hành xử vô cùng khác lạ so với vật thể vĩ mô trong thế giới thông thường. 

Chẳng hạn, chúng vừa là sóng, tức có khả năng lan truyền, lại vừa là hạt, tức đứng yên tại chỗ. Thực tế chúng nhảy múa không ngừng. Không gian càng hẹp, chúng nhảy múa càng dữ dội.

Lực ngự trị trong thế giới lượng tử là lực mạnh, lực yếu và lực điện từ, tùy thuộc vào đối tượng khảo sát.

Ở đầu kia của biên giới, tức ở khoảng cách cực lớn, thường chỉ hiện hữu trong các nghiên cứu thiên văn, thì thế giới lại được mô tả bởi một lý thuyết khác. 

Đó là thuyết tương đối. Theo thuyết này thì không gian và thời gian gắn chặt với nhau và không thể tách rời, năng lượng và khối lượng có thể quy đổi cho nhau và vận tốc ánh sáng là vận tốc giới hạn của vũ trụ. Lực ngự trị trong thế giới thiên văn là lực hấp dẫn.

Như vậy là có bốn loại lực ngự trị trong tự nhiên là lực mạnh, lực yếu, lực điện từ và lực hấp dẫn. Hẳn nhiên là bất cứ nhà vật lý nào cũng mong muốn tìm được một lý thuyết có thể thống nhất được cả bốn loại lực trên. 

Điều này thật cám dỗ, nhưng không dễ. Thực tế việc thống nhất bốn loại lực trong tự nhiên được coi là thách thức lớn nhất của vật lý hiện đại.

Tuy nhiên, họ đã thành công trong việc thống nhất ba lực yếu, lực mạnh và lực điện từ bằng một lý thuyết gọi là mô hình chuẩn - một trong những thành tựu đáng nể của vật lý thế kỷ 20. Mô hình chuẩn cho phép giải thích được nhiều điều trong thế giới lượng tử. 

Chẳng hạn, lý thuyết này đòi hỏi sự tồn tại của các hạt gluon, boson và photon. Thực nghiệm đã kiểm chứng điều này với độ chính xác rất cao. 

Trên thực tế, mô hình chuẩn đóng vai trò dẫn dắt trong các nghiên cứu về vật lý hạt. Trước khi tìm kiếm một hạt mới, người ta có thể tiên đoán chính xác tính chất của hạt đó ra sao.

Nhưng có nhiều câu hỏi còn bỏ ngỏ mà mô hình chuẩn chưa có câu trả lời. Chẳng hạn, vì sao các hạt cơ bản lại có khối lượng?

Rõ ràng, cách thông minh nhất để trả lời câu hỏi này là giả thiết rằng tồn tại một loại hạt mới, có trách nhiệm mang lại khối lượng cho các hạt cơ bản khác thông qua tương tác với chúng. Ý tưởng này được sáu nhà vật lý đưa ra vào năm 1964. Hạt này sau được gọi là hạt boson Higgs. 

Tuy nhiên, sự tồn tại của hạt boson Higgs này rất khó kiểm chứng. Một trong những lý do là mô hình chuẩn không tiên đoán được chính xác khối lượng của hạt này, nên thực nghiệm chỉ còn cách mò mẫm!

Nếu tìm ra được hạt boson Higgs thì không chỉ giải thích được vì sao các hạt cơ bản khác lại có khối lượng, mà còn chứng minh được mô hình chuẩn là khả tín, vì hạt Higgs được coi là mảnh ghép cuối cùng trong bức tranh thế giới mà mô hình chuẩn vẽ ra. 

Sâu xa hơn, nó cũng giúp con người hiểu rõ hơn về cấu trúc của vật chất và do đó là sự hình thành của vũ trụ, đặc biệt là ở giai đoạn khởi đầu khi bốn loại lực trong tự nhiên còn thống nhất với nhau.

Đó là lý do vì sao hàng chục nghìn nhà khoa học đã dành nhiều nỗ lực hàng chục năm ròng để vượt qua vô vàn khó khăn trong việc tìm kiếm hạt Higgs trong các máy gia tốc lớn.

Boson Higgs: Hạt của chúa?

“Hạt của Chúa” là tên gọi của boson Higgs trong truyền thông đại chúng. Tiếc thay tên gọi này không giúp gì cho việc hiểu bản chất của hạt boson Higgs, mà chỉ phủ thêm một màn huyền bí giật gân lên hạt Higgs vốn đã rất khó hiểu. 

Trên thực tế, hạt này ban đầu bị Leon M. Lederman, nhà vật lý hạt đoạt giải Nobel năm 1988, gọi là “hạt chết tiệt” (goddamn particle) trong một cuốn sách khoa học đại chúng nhưng biên tập viên tòa soạn e ngại từ goddamn vốn hay dùng để chửi thề nên sửa thành “God particle” - tức hạt của Chúa.

Không ai biết được vì sao những hạt cơ bản lại có khối lượng. Nói cách khác, cơ chế sinh ra khối lượng còn là điều bí ẩn. Nhưng rõ ràng là chúng ta đều có khối lượng và nhiều người còn theo dõi chúng một cách sát sao. Nên rõ ràng hiểu được vì sao các hạt lại có khối lượng là một điều quan trọng.

Đó chính là lý do vì sao việc truy tìm hạt Higgs và qua đó làm rõ bằng cách nào các hạt lại có khối lượng, để từ đó hình thành nên vật chất có cấu trúc lại thu hút sự quan tâm lớn như vậy của cộng đồng khoa học.

Để hình dung xem bằng cách nào mà hạt boson Higgs mang lại khối lượng cho các hạt khác, bạn có sẵn lòng ra đường phố Hà Nội hoặc TP.HCM vào giờ tan tầm? Nếu đường thông thoáng ở mức lý tưởng, xe bạn sẽ chạy như bay. Bạn có thể tiếp tục nhấn ga và mơ đến vận tốc ánh sáng. Xe lướt nhẹ tênh như không trọng lượng. 

Nhưng vào giờ tan tầm, đường phố chật cứng, xe bạn nhích từng mét hoặc giậm chân tại chỗ hàng giờ, bạn phải nghiêng bên nọ, lách bên kia nên không còn ở trạng thái đối xứng hoàn hảo nữa. Bỗng nhiên cả bạn và xe bỗng trở nên chậm chạp nặng nề như bị một khối lượng hàng trăm tấn kéo lại, không thể di chuyển hay nhúc nhích được.

Sự thật là sao? Có phải là bạn và xe bỗng nhiên nặng nề hơn vào giờ tan tầm nên di chuyển chậm hơn? Chắc hẳn là không. Nhưng nếu bạn hiểu khối lượng không phải là chỉ số trên bàn cân mà là độ chậm chạp khi di chuyển thì lại đúng là bạn đã bị tăng cân. 

Chính tắc đường đã làm cho bạn di chuyển chậm chạp, vì phải tương tác với các phương tiện giao thông khác. Điều này đồng nghĩa với việc xe bạn bỗng nhiên nặng nề hơn hàng chục lần, bằng chứng là bạn không di chuyển được!

Đó chính là cách hạt boson Higgs mang lại khối lượng cho các hạt cơ bản khác. Nói cách khác, hạt Higgs tương tác với các hạt cơ bản khác làm chúng chuyển động chậm lại, không còn tự do bay với vận tốc ánh sáng được nữa. Và các hạt khác tìm thấy khối lượng của mình thông qua tương tác đó.

Nếu không có hạt boson Higgs sẽ không có Trái đất, Mặt trăng, Mặt trời, các ngôi sao..., vì khi đó tất cả các hạt cơ bản đều không có khối lượng, chuyển động với vận tốc ánh sáng, nên không có gì có thể giữ chúng lại với nhau để hình thành vật chất có cấu trúc được.

Chúng ta, tất nhiên cũng sẽ không tồn tại. Đó có thể là lý do vì sao đại chúng lại chấp nhận gọi đây là “hạt của Chúa”, dù được khai sinh một cách ngẫu nhiên và không hề có ẩn ý tôn giáo.

Kỷ nguyên khoa học mới

Trong buổi báo cáo kết quả nghiên cứu ngày 4-7, giáo sư Joe Incandela của nhóm CMS là người trình bày trước. Khi bảng kết quả tổng hợp cho thấy độ tin cậy của kết quả thực nghiệm đạt mức 5 sigma, cả khán phòng đã vỗ tay hoan hô vang dội. 

Cần nói thêm, độ tin cậy 5 sigma tương ứng với sai số là ba phần mười triệu (độ tin cậy 99.9999%), là mức mà các nhà vật lý hạt cơ bản sử dụng để công nhận một phát hiện mới.

Hiện giờ nhà khoa học còn thận trọng, chỉ xác nhận đó là một loại hạt mới, có nhiều đặc điểm của hạt boson Higgs, chứ chưa thể khẳng định đó là hạt boson Higgs theo tiên đoán của mô hình chuẩn. 

Trong thông cáo báo chí CERN viết: Hai nhóm ATLAS và CMS đã giới thiệu những kết quả thực nghiệm mới nhất trong việc tìm kiếm hạt Boson Higgs. Các thực nghiệm này cho thấy những chỉ dấu mạnh về sự tồn tại của một loại hạt mới, có thể là hạt boson Higgs, có khối lượng khoảng 126 GeV (giga electron volts).

Nhưng giới chuyên môn đều cho rằng đây là một đại sự kiện trong khoa học đương đại và là khởi đầu của một kỷ nguyên khoa học mới. Chưa ai có thể nói chính xác mọi chuyện sẽ diễn ra như thế nào vì một lẽ đơn giản: đây là một sự khởi đầu chứ không phải là một kết cục. 

Nhưng có thể dự đoán những nghiên cứu trong máy gia tốc LHC thời gian tới sẽ tập trung vào làm rõ tính chất của hạt mới được khám phá, để khẳng định xem đó có phải là hạt boson Higgs theo dự đoán của mô hình chuẩn hay không. Việc tìm ra hạt Higgs sẽ mở ra một kỷ nguyên mới cho khoa học trong hành trình khám phá vật chất và vũ trụ, có thể cả nhiều lĩnh vực khác nữa.

Ba thế giới, ba bí mật Rõ ràng việc tìm kiếm hạt Higgs được khích lệ bởi niềm tin vào mô hình chuẩn. Nếu không có niềm tin này, không ai có thể dành ngần ấy thời gian và nguồn lực để tìm kiếm hạt Higgs trong suốt ngần ấy năm. Ba thế giới và ba bí ẩn của nhà toán học Penrose Nhưng vì đâu mà một lý thuyết, như mô hình chuẩn, lại có thể là nguồn khích lệ lớn đến như vậy trong việc khám phá khoa học? Và vì sao các lý thuyết khoa học, như mô hình chuẩn chẳng hạn, lại mô tả chính xác thực tại đến như vậy là một câu hỏi còn bỏ ngỏ.  Rõ ràng, con người được hình thành từ vật chất. Nhưng bằng cách nào mà khối vật chất đó lại sinh ra đời sống tinh thần, và từ trong đời sống tinh thần đó lại sinh ra các định luật khoa học có khả năng mô tả ngược lại thế giới vật chất xung quanh? Theo Penrose, nhà toán học Anh, thì đó là những bí mật lớn mà con người cần giải đáp. Mà bước đầu tiên là xác thực rằng có một mối liên hệ giữa thế giới toán học, hay rộng hơn là thế giới các định luật khoa học, với thế giới thực tại. Cụ thể: lý thuyết khoa học có thể mô tả chính xác được thực tại, trong đó mô hình chuẩn là một điển hình. Chính vì thế, việc kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình chuẩn không chỉ có ý nghĩa trong vật lý, mà còn có những hệ quả sâu xa hơn trong khoa học và triết học, đặc biệt là trong nhận thức về vật chất và thế giới, và cả nhận thức về chính bản thân nhận thức nữa.

__________

Cuộc săn lùng tưởng chừng vô vọng

Cuộc săn lùng loại hạt cơ bản ấy bắt đầu từ khi nhà vật lý lý thuyết Peter Higgs công bố phỏng đoán về sự tồn tại của nó năm 1964, cuối cùng mới kết thúc vào sáng thứ tư 4-7-2012! Giới vật lý toàn thế giới thở phào nhẹ nhõm vì đã có thể tạm thời... “rửa tay gác kiếm”! Dù vậy, vẫn cần khoảng dăm bảy tháng nữa để hoàn tất việc phân tích cả một núi dữ liệu chất chồng.

Cái nhìn từ trên không ở biên giới Pháp - Thụy Sĩ, mô phỏng quy mô đường hầm dẫn hạt của máy gia tốc LHC - Ảnh: dailymail.co.uk

“Tôi không dám nghĩ rằng sự kiện này xảy ra khi tôi còn sống!” - Peter Higgs, năm nay 83 tuổi, cảm động thốt lên khi bay từ Edinburgh đến Geneva dự buổi họp sáng hôm ấy.

Đã có những năm dài dằng dặc, cuộc săn lùng hạt boson Higgs tưởng chừng... vô vọng tuy đã sử dụng những phương tiện kỹ thuật khổng lồ nhất, tinh xảo nhất hành tinh, tốn kém hàng mấy chục tỉ đôla Mỹ. 

Đó là máy gia tốc proton - phản proton ở Fermilab gần Chicago (Mỹ), với đường hầm dẫn hạt dài khoảng 7km và gần đây nhất, máy va chạm Hadron lớn (Large Hadron Collider/ LHC) ở Geneva. Máy va chạm là một cách gọi khác của máy gia tốc.

LHC có đường hầm dẫn hạt - như tôi chứng kiến - dài suýt soát 27km, nằm sâu dưới mặt đất 50-175m, chạy vòng tròn trong lòng đất ở vùng biên giới Pháp - Thụy Sĩ, dưới chân ngọn núi lửa Jura đã tắt và dãy Alps ngất trời với đỉnh Mont Blanc. Độ dài của nó gấp hơn hai lần chiều dài con đường lượn vòng vèo quanh hồ Tây của Hà Nội.

Một mùa phượng cháy chưa xa, tôi rời Hà Nội lần lượt đến Chicago, Geneva và được tận mắt thỏa thuê nhìn ngắm hai “cỗ máy” khổng lồ ngoài sức tưởng tượng kia. GS Boaz Klima, giám đốc Dzero, chỉ vẽ cho tôi thăm Fermilab. 

Nhà bác học Jack Steinberger, Giải Nobel vật lý, và GS Patrick Aurenche, làm việc tại Tổ chức Nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) (nhưng cùng lúc nhận thêm chức vụ không lương là đồng giám đốc Trường Vật lý Việt Nam), hướng dẫn tôi suốt cả chuyến thăm CERN.

Gọi là “cỗ máy” cho nôm na dễ hiểu, chứ thật ra là cả một hệ thống nhiều nhà máy lớn, công nghệ đỉnh cao, tối tân tuyệt kỳ, được xây cất trên mặt đất và trong lòng đất, gọi là các “phòng” thí nghiệm mang tên Dzero, CDF (ở Fermilab) hay ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, LHCf, TOTEM (ở Geneva). Đường hầm dẫn hạt trông tựa như đường xe điện ngầm với mái vòm cao lồng lộng.

Ở CERN luôn hiện diện 5.000-6.000 nhà bác học và kỹ sư thuộc hơn 15 quốc tịch cùng làm việc, chụm đầu bên nhau trong hòa bình và tình bạn. LHC là máy gia tốc lớn nhất hành tinh do CERN bỏ tiền ra xây dựng. 

Nhưng đến đây nghiên cứu không chỉ có các nhà vật lý thuộc Liên minh châu Âu. Rất nhiều nhà vật lý các nước khác (Mỹ, Canada, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc, Ấn Độ, Hàn Quốc, Úc...) và cả một số nhà vật lý Việt Nam như Nguyễn Văn Hiệu, Đào Vọng Đức, Phạm Xuân Yêm, Trần Minh Tâm, Nguyễn Mậu Chung, Lã Thị Việt Nga... cũng từng làm việc tại CERN.

Anh bạn “cố tri” P. Aurenche nói cho tôi về các chùm proton, loại hạt có khối lượng gấp 1.836 lần khối lượng hạt electron, nên mới gọi là hạt nặng (hadron) được gia tốc trong những đường dẫn riêng biệt, ngược chiều nhau, bằng 1.600 “thanh” nam châm điện siêu dẫn khổng lồ, “thanh” nặng nhất tới... 27 tấn!

Khi đạt tới vận tốc bằng 99,9999991% vận tốc ánh sáng, tức xấp xỉ 300.000km/giây, hai chùm hạt kia được “lái” để va vào nhau trực diện (head-on collision), từ đó văng ra vô số mảnh. 

Nhờ vậy các nhà vật lý có thể “thấy” cấu trúc bên trong cũng như quá trình phân rã của hạt proton, và sự xuất hiện bất ngờ của một loại hạt mới nào đó ở vùng năng lượng cực cao, đến hàng trăm, hàng nghìn tỉ điện tử volt (gigaelectronvolt/GeV). Cứ mỗi giây đồng hồ, chùm hạt lại bay quanh đường hầm... 11.000 vòng!

Thập niên 1970, một khung lý thuyết của vật lý hạt được xây dựng, gọi là Mô hình chuẩn (Standard Model). Mô hình ấy, qua kiểm chứng của thực nghiệm, đã tỏ rõ đạt độ chính xác cao. Hạt boson Higgs là hạt cơ bản thứ 17 có mặt trong Mô hình chuẩn và là hạt duy nhất vẫn... chưa tìm thấy! 

Một tập thể các nhà vật lý liền cho in cuốn The Higgs Hunter’s Guide (Sách hướng dẫn người săn lùng hạt Higgs). Các tác giả viết: “Thành công của Mô hình chuẩn thật đáng ngạc nhiên. Vấn đề trung tâm hiện nay của vật lý hạt là hiểu được trường Higgs”.

Không tìm được hạt Higgs, không làm sáng tỏ được trường Higgs thì mô hình chuẩn ắt bị lung lay, nếu không muốn nói là... sụp đổ!

Boson Higgs chẳng xa lạ với người Việt Nam

Ngày 7-3-2012, trong một bức email gửi cho tôi, GS Trần Thanh Vân cho biết: Tại cuộc gặp gỡ Moriond hôm ấy ở La Thuile, các nhà vật lý thuộc ATLAS và CMS của CERN, cũng như Dzero của Fermilab đã trình bày những kết quả tìm kiếm chung, bước đầu “thấy” boson Higgs.

Đó là một niềm tự hào của Gặp gỡ Moriond do GS Vân sáng lập và làm chủ tịch nhiều thập niên. Ông tin tưởng trong tương lai không xa, Trung tâm Quốc tế khoa học và giáo dục liên ngành đang xây dựng trên mảnh đất rộng 20ha bên bờ biển Quy Nhơn lộng gió sẽ thu hút được nhiều nhà vật lý quốc tế đến thông báo những khám phá vang dội như thế.

GS Trần Minh Tâm, Trường đại học Bách khoa liên bang ở Lausanne (Thụy Sĩ), cũng đã hợp tác với TS Nguyễn Mậu Chung ở Trường đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội, thành lập từ ngày 1-1-2009 nhóm vật lý năng lượng cao gồm một số nghiên cứu sinh Hà Nội lần lượt đến làm việc ở Lausanne và ở phòng thí nghiệm LHCb của CERN. Nhóm đã có công trình công bố quốc tế.

Còn TS Vũ Anh Tuấn đang tham gia nghiên cứu ở phòng thí nghiệm ATLAS cũng của CERN.