Giải Nobel Vật lý 2013: Gọi tên "Hạt của Chúa"

Giáo sư François Englert (trái) và giáo sư Peter Higgs tại cuộc họp báo công bố hạt boson Higgs ở CERN ngày 4-7-2012 - Ảnh: Reuters

Có lẽ đây là một trong số rất ít năm, giới khoa học có thể tiên đoán giải Nobel với độ chắc chắn cao đến như vậy.

Lý do: mảnh ghép cuối cùng của Mô hình chuẩn - hạt boson Higgs - mục tiêu săn tìm của các nhà vật lý trong suốt gần 50 năm qua, cuối cùng đã được chứng minh là tồn tại bằng các thực nghiệm tại Tổ chức Nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) vào tháng 7-2012, và sau đó tiếp tục được kiểm chứng trong các thực nghiệm khác.

Mô hình Chuẩn (Standard Model)

Năm 1964, sáu nhà vật lý thuộc ba nhóm khác nhau, trong đó có François Englert và Peter Higgs, đã độc lập với nhau đề xuất một cơ chế lý thuyết về nguồn gốc khối lượng của các hạt hạ nguyên tử, trong ba bài báo công bố độc lập. Trong số đó, chính Peter Higgs đã đưa ra tiên đoán về sự tồn tại của một hạt boson có spin = 0, mà sau này được gọi là hạt Higgs.

Chính lý thuyết này giải thích tại sao các hạt hạ nguyên tử, và do đó là vật chất, trong đó có chúng ta, có khối lượng. Lý thuyết này cho rằng tương tác của hạt boson Higgs với các hạt cơ bản đã mang lại khối lượng cho chúng. Hạt nào tương tác với hạt Higgs càng mạnh thì khối lượng sẽ càng lớn. Nếu không tương tác, như photon - hạt ánh sáng - chẳng hạn, thì sẽ không có khối lượng. Hạt boson Higgs chính là mảnh ghép cuối cùng của Mô hình chuẩn.

Việc tìm ra hạt Higgs bằng thực nghiệm được nhiều người đánh giá là một trong những thành tựu khoa học lớn nhất của thế kỷ này. Vì thế, giải Nobel vật lý năm nay đã không gây bất ngờ cho giới khoa học.

Vật lý hạt cho ta biết toàn bộ vật chất, trong đó có chúng ta, có nguồn gốc từ một số ít các hạt cơ bản. Ý tưởng này đã có từ thời Hi Lạp cổ đại, khi các triết gia tìm cách trả lời một câu hỏi lớn: Vạn vật được tạo bởi cái gì? Người thì cho đó là Đất, Nước, Lửa, Không Khí, hoặc tất cả các yếu tố này gộp lại. Các học giả phương Đông cũng cho rằng vạn vật được tạo bởi hai thành tố Âm - Dương (theo thuyết âm dương) hoặc Kim, Mộc, Thủy, Hỏa, Thổ (theo thuyết ngũ hành).

Nhưng các nhà vật lý học hiện đại thì không tin như vậy. Họ đã chứng minh được bằng thực nghiệm rằng vật chất được tạo bởi các hạt cơ bản, đó là các quarks và các leptons. Ngoài ra, còn có các hạt truyền lực tương ứng với bốn loại lực trong tự nhiên: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực yếu và lực mạnh. Mô hình chuẩn đã thống nhất được các hạt cơ bản này và ba trong số bốn loại hạt truyền lực (trừ lực hấp dẫn) vào một khung lý thuyết chặt chẽ.

Tuy nhiên, Mô hình chuẩn chỉ hoạt động với giả thiết rằng các hạt không có khối lượng. Điều này rõ ràng vô lý, vì hầu hết các hạt đều có khối lượng. Chúng ta có thể khẳng định chắc chắn điều này mà không cần phải trích dẫn Mô hình chuẩn, vì không chỉ chúng ta biết rõ cân nặng của mình mà còn vì chúng ta đang ngồi đây, đọc những dòng này. Nếu không có khối lượng, thì theo thuyết tương đối của Einstein, chúng ta sẽ chuyển động theo vận tốc ánh sáng như hạt photon vậy.

Đây là một vấn đề rất đau đầu với các nhà vật lý hạt khoảng 50 năm về trước. Đúng lúc đó, một nhóm các nhà lý thuyết xuất hiện, trong đó có các chủ nhân của giải Nobel năm nay, đề xuất một lý thuyết nhằm giải quyết nan đề khối lượng của các hạt này.

Lý thuyết đó chính là Cơ chế Brout-Englert-Higgs (BEH), với tiên đoán về sự tồn tại của một hạt cơ bản mới, mà sau này ta gọi là hạt Higgs. Chính hạt Higgs này - mảnh ghép cuối cùng của Mô hình chuẩn - là mục tiêu tìm kiếm của hàng nghìn nhà khoa học trong hàng chục năm qua.

Sơ đồ các hạt cơ bản như những mảnh ghép trong Mô hình chuẩn. Trong sơ đồ này, hạt Higgs đóng vai trò trung tâm. Điều này có nghĩa lý thuyết về hạt Higgs cũng nằm ở trung tâm của Vật lý hạt.

Hạt Higgs có thể đã được tạo ra và phân hủy ngay sau đó, tạo ra hai hạt photon - hạt ánh sáng (màu xanh). Dấu vết của chúng được phát hiện bởi detector của CMS - Ảnh: Ủy ban xét giải Nobel vật lý 2013

Vai trò của hạt Higgs

Vai trò của hạt Higgs là mang lại khối lượng cho các hạt khác. Nhưng bằng cách nào? Làm sao có thể hình dung được việc này? Câu trả lời cho câu hỏi phức tạp này có thể được hình dung phần nào từ việc quan sát giao thông trên đường sau mỗi trận mưa lớn, khi đường sá bỗng chốc thành sông. Nếu đường phố thông thoáng, không bị ngập, xe cộ sẽ chạy nhanh vì không có gì cản trở.

Nếu coi các hạt cơ bản cũng như những chiếc xe này, thì về nguyên tắc, chúng sẽ chạy với vận tốc ánh sáng vì chúng không mang khối lượng. Nhưng vì trời mưa, đường ngập, xe cộ không thể di chuyển được, hoặc di chuyển rất chậm do bị nước ngập cản trở. Khi mọi điều kiện không thay đổi thì vật càng nặng sẽ càng di chuyển chậm. Điều này có nghĩa khi đường bị ngập nước, xe cộ dường như bị “nặng thêm”, mà biểu hiện là chúng di chuyển chậm đi.

Vậy phần “nặng thêm” này có nguyên nhân từ đâu? Chính là từ sự tương tác của xe cộ với nước. Càng tương tác nhiều thì càng bị cản trở nhiều, tức di chuyển càng chậm chạp thì khối lượng càng tăng lên.

Với các hạt cơ bản thì câu chuyện cũng diễn ra tương tự. Nếu không có khối lượng, chúng sẽ chuyển động với vận tốc ánh sáng. Nhưng thực tế, chúng lại có khối lượng và chuyển động chậm hơn nhiều. Điều này có nghĩa chuyển động của các hạt này đã bị cản trở bởi sự tương tác với một cái gì đó. Higgs và Engler cho rằng “cái gì đó” chính là một trường có mặt khắp nơi trong vũ trụ, sau này được gọi là trường Higgs, tương ứng với nó là hạt Higgs.

Chính trường Higgs đã cản trở các hạt cơ bản chuyển động, nói cách khác, hạt Higgs đã tương tác với các hạt cơ bản, làm cho chúng có khối lượng. Tương tác càng mạnh thì khối lượng của hạt càng lớn. Nếu một hạt không tương tác với hạt Higgs thì khối lượng của nó bằng không.

Trong ví dụ về di chuyển trên phố ngập nước ở trên, ta thấy: chỉ có mấy chú chim bay phía trên là không thấy bị cản trở gì. Chúng thoải mái bay lượn. Nếu coi những chú chim này là các hạt cơ bản thì các hạt này đã không bị trường Higgs cản trở, nên khối lượng của nó bằng không và sẽ di chuyển với vận tốc ánh sáng.

Chúng ta bị nước cản trở khi di chuyển, còn các chú chim thì không. Điều này cũng giống như các hạt cơ bản, có hạt tương tác với hạt Higgs, có hạt không tương tác, hoặc dửng dưng. Vì thế khối lượng của chúng khác nhau, thậm chí bằng không.

Vì lý do đó, hạt Higgs chính là chìa khóa để tìm hiểu về nguồn gốc khối lượng của vật chất. Lần đầu tiên, nguồn gốc của khối lượng được hiểu tương đối rõ ràng.

Kỷ nguyên mới của khoa học

Trước khi thuyết tương đối ra đời, bản chất của không gian thừa nhận tiên nghiệm như một sân khấu trống rỗng mà ở đó mọi vận động của vật chất diễn ra. Nhưng nhờ A.Einstein, chúng ta biết rằng không gian không phải là tuyệt đối và trống rỗng, mà gắn bó mật thiết với vật chất và vận động.

Với hạt Higgs, câu chuyện cũng tương tự. Nếu trước đây ta coi khối lượng là một thứ cho trước, được mặc nhiên thừa nhận mà không có hiểu gì về nguồn gốc của nó, thì nay, với cơ chế BEH, chúng ta hiểu được khối lượng từ đâu ra, tất nhiên là theo nhãn quan của Mô hình chuẩn. Nguồn gốc đó, không gì khác hơn chính là tương tác của hạt Higgs, tràn ngập trong chân không của vũ trụ từ thuở nguyên sơ, với các hạt cơ bản khác.

Việc tìm ra hạt Higgs được coi là tìm ra mảnh ghép cuối cùng của Mô hình chuẩn nhưng Mô hình chuẩn không phải là mảnh ghép cuối cùng của Vật lý học hiện đại. Lý do: theo Mô hình chuẩn thì một số hạt như các neutrinos không có khối lượng, nhưng các nghiên cứu gần đây cho thấy chúng có khối lượng tuy rất nhỏ.

Với sự tìm ra hạt Higgs, Mô hình chuẩn cho phép giải thích nguồn gốc khối lượng của vật chất, nhưng đó chỉ là phần vật chất khả kiến, chiếm chưa đầy 20% của toàn bộ vật chất trong vũ trụ. Phần còn lại là vật chất tối vẫn hoàn toàn là điều bí ẩn.