Những bí mật về ‘hạt của Chúa’

- Đầu tháng 7 vừa qua, Tổ chức Nghiên cứu Nguyên tử châu Âu (CERN) tuyên bố họ đã tìm thấy hạt có tính chất giống hạt Higgs mà người ta vẫn gọi là "hạt của Chúa". Tuy nhiên, không phải ai cũng hiểu được hạt Higgs là gì và nó có vai trò ra sao đối với sự phát triển của ngành vật lý và khoa học nói chung. Bài giải đáp dưới đây sẽ giúp bạn có những thông tin cơ bản nhất xoay quanh bí mật về "hạt của Chúa".

Bạn Hà ở địa chỉ mail: hlha...@hotmail.com hỏi: Tôi tốt nghiệp Đại học báo chí. Đọc tin “Nhờ máy gia tốc hạt lớn LHC, các nhà khoa học đã tìm ra được boson Higgs , phù hợp với mô hình chuẩn của vật lý hạt”… tôi đâm hoang mang, thấy hình như kiến thức mình “hổng” nhiều quá. Không giải thích được cho cô em gái “boson” là gì, “mô hình chuẩn” ra sao? Vật lý hạt là gì? Rồi vì sao người ta phải đầu tư hàng chục tỷ đôla để làm ra cỗ máy khổng lồ như thế, nó làm việc như thế nào? Chẳng lẽ mình mang thông tin đến mọi người mà bản thân mình lại không hiểu những thông tin đó.

Trả lời:

Đâu phải đã tốt nghiệp đại học thì gì cũng biết vì nếu nói thế thì chẳng cứ bạn kiến thức ai mà chẳng “hổng”, trừ các nhà vật lý… hạt. Theo tôi nhiều điều cứ phải công nhận vì càng nói càng đụng chạm đến các khái niệm mới. Bạn cứ tạm hiểu một cách đơn giản như thế này:

Trong các phân ngành của vật lý, có chuyên ngành “vật lý hạt”, nghiên cứu về các hạt – những phần tử vật chất dưới mức nguyên tử (subatomic), tương tác giữa chúng (như electron, proton, nơtron mà chúng ta biết từ hồi học phổ thông và nhiều hạt hạ nguyên tử khác nữa tạo nên vật chất và các tia bức xạ (ví dụ ánh sáng, tia phóng xạ, tia rơnghen…)

Nó còn được gọi là vật lý năng lượng cao bởi vì rất nhiều hạt trong số đó không xuất hiện ở điều kiện môi trường tự nhiên, mà chỉ được tạo ra hay phát hiện trong các vụ va chạm giữa các hạt, nhờ các máy gia tốc.

Các hạt và tương tác của chúng được mô tả (và cập nhật) trong một lý thuyết gọi là “mô hình chuẩn” được phát triển từ những năm 1970 do sự kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp và liên tục được bổ sung bằng những thành tựu mới.

Bạn hãy tạm hiểu “Mô hình chuẩn” tương tự như Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học của Mendeleev mà chúng ta đã học (chi phối những quy luật và mối liên quan giữa các nguyên tố, giải thích vì sao một nguyên tố lại có tính chất này nọ và làm thế nào để tổng hợp được một nguyên tố mới).

Mô hình chuẩn không chỉ đề cập đến chất (hạt) mà cả những lực tác dụng qua lại giữa các chất đó. Xây dựng được mô hình chuẩn là một thành tựu lớn, nhờ nó, đã mang lại khoảng 30 giải Nobel trong ba thập niên gần đây. Mô hình chuẩn tiên đoán nhiều hiện tượng và hạt mới lạ cũng như tính chất của chúng mà sau đó đều được thực nghiệm kiểm chứng với độ chính xác đáng kinh ngạc.

Mô hình chuẩn hiện nay có 61 hạt sơ cấp (elementary particle) tạm coi là không phân chia được nữa, nhưng có thể kết hợp với nhau thành hạt phức hợp (composite particle) hàng trăm loại. Trong số này có 12 hạt cơ bản (và phản hạt của chúng). Song mô hình này vẫn chưa hoàn chỉnh bời nó vân thiếu một hạt lý thuyết, làm cơ sở 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  chịu trách nhiệm cung cấp khối lượng cho các hạt, gọi là trường Higgs và đi kèm với nó là hạt boson Higgs. Có thể nói gần như tất cả những dự đoán của Mô hình chuẩn đã được kiểm chứng, ngoại trừ việc người ta chưa tìm thấy hạt boson Higgs. Vì thế cuộc săn lùng boson Higgs trở thành mục tiêu của những chương trình thực nghiệm toàn cầu trong gần nửa thế kỷ.

Thế còn boson Higgs là cái gì? Nó quan trọng như thế nào?

Bạn thấy ở đây có 2 thuật ngữ: “boson” và “Higgs”.

Theo Mô hình chuẩn, dưới một góc độ khác (vật lý lượng tử), người ta phân biệt các hạt thành 2 loại gọi là boson (đặt tên theo nhà vật lý người Ấn Độ Satyendranath Bose) và fermion (đặt tên theo nhà vật lý Italia là Enrico Fermi). Có thể nói boson là một loại hạt mà cho phép các hạt giống hệt nhau tồn tại ở cùng một vị trí trong cùng một trạng thái lượng tử. Người ta đã biết đến đến 4 hạt boson.

Còn Higgs là tên của nhà vật lý Anh Peter Higgs – người mà năm 1964 đã nêu giả thuyết về sự tồn tại của hạt này và vì thế nó được gọi theo tên của ông. Theo mô hình chuẩn, người ta tiên đoán rằng loại hạt này không có spin nội tại, không mang điện và không màu. Nó cũng rất không bền, phân rã gần như ngay lập tức sau khi sinh ra.

Hạt Higgs còn được giới ngoại đạo gọi là “hạt của Chúa”. Đó là cái tên do nhà vật lý học Leon Lederman đã vô tình đặt tên cho boson Higgs giống như tên cuốn sách của ông: "hạt của Chúa" (God). Lederman đã nói đùa rằng thực ra ông muốn gọi hạt Higgs là "hạt chết tiệt" (goddamn) bởi 2 lẽ: nó quá mơ hồ và ai cũng muốn hiểu, muốn bắt nó ra trình diện nhưng nó lại nằm ngoài khả năng nắm bắt và truy lùng của con người (với trình độ kỹ thuật, công nghệ và thiết bị hồi đó). Cái tên đặc biệt này đã thu hút sự chú ý của dư luận.

Boson Higgs có tầmquan trọng đặc biệt trong mô hình chuẩn cũng như trong vật lý học nói chung, vật lý hạt nói riêng. Nó là chìa khoá để giải quyết “bí mật” của trọng lượng. Nó gắn liền với một trường, gọi là trường Higgs mà theo lý thuyết, tràn ngập trong vũ trụ.

Các hạt khác khi đi qua trường này sẽ nhận được khối lượng, giống như một vận động viên bơi lội, khi bơi qua hồ sẽ bị ướt. Hiện tượng đó gọi là cơ chế Higgs (Higgs mechanism), giúp chúng ta hiểu các hạt vì sao có khối lượng, để từ dó xây dựng nên thế giới, trong đó có hành tinh của chúng ta.

Nếu không có khối lượng các hạt không kết tụ với nhau mà sẽ bay tứ tán, như ánh sáng thì làm gì có được toàn bộ vũ trụ mênh mông này? Vì vậy, người ta bảo boson Higgs là “miếng ghép cuối cùng” của mô hình chuẩn, nói cách khác, việc phát hiện ra nó là một bước đột phát lớn trong vật lý học.

Boson Higgs vừa được CERN công bố là đã được tìm ra hôm ngày 4/7/2012 và đang chờ đợi những phản biện và kiểm tra xem có đúng là nó không trước khi công nhận chính thức. Nếu hạt mới phát hiện đúng là “boson Higgs” thì mô hình chuẩn đúng, còn nếu hạt ấy chỉ là “kẻ mạo danh”, thì mọi lý thuyết hiện hành trong vật lý hạt sẽ bị lật nhào và người ta lại phải tìm ra một mô hình khác để thay thế và chưa biết vật lý hạt sẽ đi đến đâu.

Song theo phương pháp thống kê của toán học thì khả năng đúng là boson Higgs lên tới 99,999%.

Cần nói thêm là một số nhà vật lý đề nghị không nên gọi là boson Higgs  nữa mà chỉ là hạt Higgs hoặc higgson (như proton, electron, neutron…) mà thôi.

Ban Khoa học