Ảnh: AFP/ CERN

Việc săn tìm các hạt Higgs có thể làm thay đổi môn vật lý như thế nào

Johann Grolle và Hilmar Schmundt, Spiegel, 20/12/2011, Hiếu Tân dịch

http://www.spiegel.de/international/europe/0,1518,804693,00.html

Các nhà vật lý đã tìm ra 12 hạt cơ bản trong tự nhiên. Bây giờ sau 50 năm nghiên cứu, hạt khó nắm bắt nhất đã trong tầm tay: hạt boson[1] Higgs. Nhưng nếu cái gọi là 'hạt Thượng đế' thật sự đã được tìm ra, thì điều đó có nghĩa là sự kết thúc của vật lý học không?

Đây là nói về thời gian. Trong nhiều thập niên, Peter Higgs đã ngồi - và đợi - trong căn hộ của ông trong một tòa nhà cũ ở Edinburg gần Quảng trường Moray lịch sử. Tên ông đã xuất hiện trên báo nhiều lần trong suốt quãng thời gian dài dặc đó.

Thường có những báo cáo rằng một ai đó đã phát hiện ra hạt cơ bản mang tên ông. Nhưng tất cả hóa ra đều là báo động giả. Thế nhưng lần này coi có vẻ là chuyện thật. Thứ Ba tuần trước, trung tâm nghiên cứu CERN gần Geneva tổ chức một seminar về những bước tiến mới trong nghiên cứu về cái gọi là hạt boson Higgs.

Trong cơ sở nghiên cứu ở dưới chân Dãy núi Jura của Thụy Sĩ, hiếm khi có tâm trạng căng thẳng như thế này. Các văn phòng trống rỗng, các phòng thí nghiệm đóng cửa và các quán ăn tự phục vụ bị bỏ không. Mọi người chen chúc nhau trong giảng đường.

Người ta phải thuê những đội bảo vệ riêng để chắn hai cổng vào vì có quá nhiều nhà nghiên cứu muốn tham dự seminar này sau khi tin tức lọt ra ngoài. Nhưng nó cũng là một mẩu tin nước đôi. Một mặt, có những bước phát triển mới trong nghiên cứu để tìm hạt Higgs, và có khả năng là có thể nhìn thấy được nó, với trọng lượng khoảng 125 nguyên tử Hydro. Mặt khác, không có bằng chứng vững chắc nào cho thấy đúng như thế - chỉ có những đầu mối. Tuy nhiên, đó là "những đầu mối hết sức thú vị," như Tổng Giám đốc CERN Rolf Heuer nhắc đi nhắc lại nhiều lần. "Tín hiệu vẫn còn rất mờ nhạt", Siegfried Bethke, giám đốc của Viện Vật lý Max Planck ở Munich nói. Thí nghiệm Atlas trong đó Bethke có tham gia đã cho ra hàng triệu gigabyte trong năm nay. Dễ gì đọc ra được một cái gì, có thể còn không có, trong cái mớ bòng bong dữ liệu này?

"Chín dở"

Phản ứng của cử tọa cũng chỉ là nước đôi. "Cám ơn các bạn về món quà Giáng Sinh này," một nhà vật lý nói oang oang trong cuộc thảo luận công khai về các kết quả. Nhưng có một người ngồi ngoài, trong hành lang, buộc phải theo dõi cuộc họp trên laptop của mình, gọi các kết quả này là "món bánh nướng chín dở"

Phần lớn các nhà khoa học nhất trí một điểm: rằng các số liệu chưa thật sự hoàn thiện để công bố cho công chúng. Nhưng chờ đợi lâu hơn nữa là không thực tế. Cứ biết rằng có hơn 6.000 nhà khoa học của trên 50 nước đã lao vào săn tìm hạt Higgs này, thì thấy thật không thể cách gì ngăn nổi thông tin mới khỏi rò rỉ ra công chúng.

Chắc chắn là đã có những mối quan tâm lớn đến hạt boson Higgs. Hơn 100 nhà báo đã đến CERN để nghe những bài giảng về các mặt cắt của nguyên tử, độ sáng và các sự kiện gamma gamma. Đã có tin đồn rằng có thể đã tìm ra cái gọi là "hạt Thượng Đế" - và nhiệm vụ đầu tiên và cơ bản nhất của máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới ở CERN là tìm ra đúng hạt đó. Ba nghìn tỉ ơ-rô để tìm một hạt bé xíu? Chắc phải là cái gì đặc biệt lắm.

Một cuộc viếng thăm căn hộ ở Edinburgh của con người mà tên được đặt cho hạt khó nắm bắt này mới cho thấy ông là con người khiêm tốn như thế nào. Peter Higgs, một ông già rụt rè 82 tuổi với mái tóc trắng lưa thưa và nụ cười ngập ngừng. Bằng những câu nói ngắc ngứ, gần đứt hơi, ông mô tả cái khoảnh khắc ông có ý nghĩ quan trọng duy nhất trong đời mình. Ông nhớ rất rõ rằng ông đang sắp xếp phân loại các tờ tạp chí trong thư viện thì cái ý tưởng kích động ấy đến với ông. Ông còn nhớ được cả ngày tháng: 16 tháng Bảy, năm 1964, cách đây gần 50 năm.

Từ đó đến nay Higgs chưa công bố điều gì đáng kể, và ông nhận thấy rất rõ rằng một số người giễu cợt ông về chuyện ấy. "Những kẻ hay châm chọc nói rằng tôi có danh tiếng mà không phải làm gì để có", ông nói, thêm rằng điều đó không phải hoàn toàn không đúng. Bài báo mở ra sự kiện này chỉ có một trang rưỡi và chỉ chứa bốn công thức.

Về thực chất, Higgs chỉ đi đến một thủ thuật toán học đơn giản - nhưng một thủ thuật mới đặc biệt làm sao chứ. Nó vẫn còn có tầm quan trọng cơ bản cho đến tận hôm nay, bởi vì nó giúp họ hiểu điều lạ lùng của khối lượng.

Thổi sự sống vào hoang mạc

Không có thủ thuật toán học của người ngoài cuộc xứ Scott này thì các phương trình trong môn vật lý hạt này nhạt nhẽo và chán ngắt. Chúng mô tả một vũ trụ trong đó chỉ toàn là những hạt không khối lượng. Nhưng không có khối lượng thì không một ngôi sao hay một hành tinh nào có thể sinh ra, và con người thì không thể tồn tại trong một thế giới như thế.

Để thổi sự sống vào hoang mạc này, Higgs đề xuất rằng vũ trụ được điền đầy bằng một loại xúp của những hạt không nhìn thấy. Mọi vật chất chuyển động qua thứ chất lỏng này lấy một lượng nhỏ xúp này đi theo, và cái quán tính sinh ra từ đó đem lại khối lượng cho hạt.

Để hình dung tác dụng 'tự do mang theo' này, nhà vật lý lý thuyết của CERN, John Ellis so sánh vũ trụ với lớp bùn do thủy triều bồi đắp. "Các hạt có mang giầy, nên bùn dính vào" ông nói.

Với thủ thuật của mình, Higgs đã cung cấp cho các nhà vật lý một công cụ để sửa chữa những phương trình của họ. Nhờ vậy chúng đã có thể mô tả Mô hình Chuẩn của vật chất biểu hiện quan điểm của vật lý học về thế giới cho đến ngày nay. Các nhà vật lý chỉ cần chứng minh sự tồn tại của các hạt Higgs là xong.

Trong vật lý học việc phát minh ra một hạt trên giấy trước rồi sau mới tìm ra nó trong phòng thí nghiệm là chuyện bình thường. Trong trường hợp của phản vật chất, từ lúc có ý tưởng đến phát hiện thực tế mất bốn năm, còn để phát hiện ra neutrino[2] các nhà vật lý đã phải mất hơn 20 năm. Nhưng quãng thời gian giữa ý tưởng và phát hiện thực tế chưa khi nào dài như với hạt boson Higgs, việc nghiên cứu nó là cuộc săn tìm một hạt lâu nhất trong lịch sử vật lý học.

Trong những máy gia tốc hạt đặt ngầm dưới đất ngày càng mạnh, các nhà khoa làm cho các electron, proton, và các hạt khác va chạm nhau với lực ngày càng lúc càng tăng  - với năng lượng phát ra càng lúc càng nhiều trong quá trình đó.

Các hạt quark mê hoặc, trên cùng và dưới cùng đã lần lượt được tìm ra, đúng mhư các nhà vật lý lý thuyết đã tiên đoán. Rồi đến hạt muon[3], hạt tau[4] và tau neutrino[5]. Tất cả các hạt cơ bản của vật chất sớm muộn đã được tìm ra cả. Tất cả, chỉ trừ một hạt: Higgs.

Phải chăng lý thuyết của Higgs sai? Phải chăng vật chất được tạo ra cách khác?

Cách đây mười một năm các nhà vật lý ở CERN tin rằng họ đã tóm bắt được một thoáng lướt qua của hạt Higgs trong một máy gia tốc hạt gọi là Máy Va chạm Election-Positron Lớn, viết tắt là LEP. Họ tin rằng họ đã nhận biết được các tín hiệu của những số liệu của nó, mặc dù là những tín hiệu rất yếu, trong một va chạm sinh ra một năng lượng lớn hơn năng lượng của một proton 100 lần.

Phần 2: Điều gì xảy ra cho vật lý học?

Nhưng ban quản lý CERN không cho những người săn đuổi hạt Higgs đủ thời gian cần thiết trong LEP để đi đến tận cùng điều bí ẩn này. Có những kế hoạch xây dựng một máy gia tốc hạt lớn hơn, có nghĩa là cái cũ phải dọn đi nhường chỗ cho nó. Suốt một thập niên, các nhà vật lý ở CERN  đã phải chuyển giao lĩnh vực này cho các đối thủ của họ ở Mỹ, những người này tiếp tục săn tìm hạt Higgs trong máy gia tốc hạt Tevatron ở gần Chicago.

Trong khi công việc xây dựng Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) gần Geneva đang tiến triển, các nhà khoa học châu Âu buộc phải đứng nhìn các đối thủ của họ làm việc ở Tevatron tiến rất chậm tới mục tiêu của họ. Phải chăng người Mỹ đã để tuột mất chiến thắng ở chặng cuối cùng? Nỗi lo lắng này bây giờ chỉ còn là chuyện quá khứ.  Tevatron đã ngưng hoạt động kể từ tháng Mười.

Kết quả là trung tâm mạnh của vật lý năng lượng cao đã chuyển vùng. Trong khoảng 70 năm kể từ thời Dự án Manhattan dẫn đến việc chế tạo bom nguyên tử, nó nằm ở bên kia Đại Tây Dương. Bây giờ các nhà khoa học châu Âu hy vọng rằng việc phát minh ra hạt Higgs sẽ đánh dấu điểm khởi đầu một kỷ nguyên mới, và môn vật lý của thế kỷ 21 sẽ được phát minh trên cựu lục địa. Geneva là hạt nhân mới của môn này.

Cuộc tranh đua đã có thời lôi cuốn các nhà khoa học cả hai bờ Đại Tây Dương bây giờ đang diễn ra duy nhất bên trong CERN. Hai dự án vĩ đại, Alas và CMS, đang tranh nhau làm kẻ đầu tiên phát hiện ra hạt Higgs. "Cuộc đua tranh này đang lôi cuốn mọi người," Tổng Giám đốc CERN Heuer nói.

Một thách thức

Cả hai nhóm nghiên cứu dùng cùng một chùm hạt proton, và cả hai đều ở trong tòa nhà 40 trên khu đất của CERN. Họ đối đầu nhau trong vành tròn của tòa nhà, nơi logo của thí nghiệm Atlas được trưng bên phải cổng vào và một bức ảnh to như thật của máy dò của nhóm CMS treo bên trái - một thách thức đối với đấu thủ của họ.

Hôm thứ Ba, hai nhóm tạo một ấn tượng khác đáng chú ý. Người của Alas dùng một giọng nhỏ nhẹ và cẩn trọng. "Chúng tôi chưa đạt được đến khoảnh khắc ơrêca thật sự" với hạt Higgs. Cuộc nghiên cứu để đạt được nó đã kéo quá lâu "nhà khoa học của Viện Max Planck Bethke nói. Nhưng Guido Toneli của CMS, một người Ý đầy nghị lực của trường Đại học Pisa nói nhiệt tình hơn: "Đúng vào ngày 8 tháng Mười Một, ngày sinh của tôi, lần đầu tiên tôi có cảm giác rằng chúng tôi đang ở mấp mé một bước đột phá."

Thách thức cho cả hai nhóm nghiên cứu là rây qua cơn bão hạt từ máy gia tốc hạt đổ xuống máy dò của họ để tìm ra những hạt xuất phát từ sự phân rã của một hạt Higgs. Cứ như thể tự nhiên đã rán hết sức để chế nhạo sự tò mò của họ. Trong nghiên cứu không có chỗ nào khó khăn hơn giải năng lượng lớn vào khoảng 125 lần khối lượng một proton, trong đó các nhà khoa học hiện giờ tin rằng họ đã định vị được mục tiêu của họ.

Theo lý thuyết, hạt Higgs được tạo ra từng phút nhưng đại đa số chúng biến đi không thể thấy lại được trong cơn mưa hạt này. Chỉ có khoảng một trong 1.000 hạt Higgs phân rã thành những lượng tử gamma năng lượng cao - và các nhà khoa học hy vọng chúng là những khoảnh khắc hiếm hoi trong đó có thể phát hiện được hạt này.

Nhưng số sự kiện như thế vẫn còn quá nhỏ để các nhà vật lý tin rằng họ đúng. Tuy nhiên, họ được cổ vũ bởi sự kiện là cả hai nhóm nhà khoa học Atlas và CMS đang nhìn thấy cùng một tín hiệu. Hai nhóm nhất trí rằng vấn đề này sẽ được giải quyết không muộn hơn cuối năm tới. "Tồn tại hay không tồn tại", Heuer nói. "Trong vòng một năm chúng ta sẽ có câu trả lời cho câu hỏi này của Shakespeare."

Và sau đó? Một khi mà mọi thứ đã được tìm ra cả rồi, liệu người ta có bắt đầu chán nản vì còn chi nữa mà tìm.

Những cái cần nhất trong danh mục các việc cần làm

Heuer sẽ là nhà quản lý phòng thí nghiệm tồi nếu ông không có câu trả lời cho những câu hỏi này. Đối với ông, điều cảm thấy như sự kết thúc cuộc săn tìm một hạt kéo dài nhiều thập niên thật sự đánh dấu sự bắt đầu một kỷ nguyên mới. Trong khoảng 80 năm các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra cái mà các nhà lý thuyết đã tiên đoán từ lâu. Bây giờ Heuer và các đồng nghiệp của ông muốn lao vào cuộc thám hiểm miền đất hoàn toàn chưa khai phá.

Các nhà lý thuyết cũng đã gửi những đoàn quân xung kích vào vùng đất bên ngoài Mô hình Chuẩn. Họ không thiếu ý tưởng về điều gì gắn kết thế giới trong tận cùng sâu thẳm của kết cấu của nó, ý tưởng về những kích thước bổ sung, những thớ siêu đối xứng và những vũ trụ song song.

Nhưng tất cả những trò chơi trí tuệ này vận động bên trong địa hạt suy luận. Các nhà lý thuyết không thể đạt được tiến bộ nào nếu không có những số liệu thí nghiệm vững chắc.

Đây chính xác là cái mà LHC ở Geneva hiện đang mong chờ cung cấp. Giám đốc CERN mô tả bí mật sẽ được công bố: "Chỉ có 4 phần trăm vũ trụ bao gồm vật chất thấy được. Phần còn lại là năng lượng tối và vật chất tối." Fabriona Gianotti, người phát ngôn của nhóm thí nghiệm Atlas, mô tả bằng một cách nói văn vẻ hơn "Cái chúng ta đã biết giống như một giọt nước, nhưng cái chúng ta không biết là một đại dương."

Các nhà khoa học cũng đã để mắt tới một ứng viên cho cái có thể làm thành vật chất tối. Nó được gọi bằng cái tên du dương là neutralino.

Hạt nhỏ xíu này xuất phát từ một khái niệm giả định rằng mỗi hạt có một đối tác ẩn giấu. Cái ý tưởng ấy được gọi là "siêu đối xứng", biệt hiệu "Susi". Theo thuyết này, một trong những đối tác Susy, neutralino, có chính xác những thuộc tính được gán cho vật chất tối, đó là lý do tại sao nó đứng dầu danh sách những việc cần làm của các nhà vật lý LHC.

Siêu đối xứng cũng có thể làm sống lại cuộc săn lùng hạt Higgs. Lý thuyết của nó không chỉ cung cấp những đối tác mới cho các hạt quark, electron và neutrino, mà còn che giấu các hạt Higgs khác - ít nhất là năm hạt, các nhà lý thuyết nói.

Christopher Sultan dịch từ tiếng Đức