Chín năm đốt đuốc soi rừng
(Nguyễn Bính, 1956)
Tóm lược
Hầu như đồng thời vào hè năm 1964, sáu nhà vật lý độc lập với nhau cùng đề xuất một cơ chế mang khối lượng cho vạn vật. Cơ chế BEH (Brout, Englert, Higgs, coi phụ chú 5) này là nền tảng của Mô Hình Chuẩn, một lý thuyết diễn tả nhất quán và chính xác ba lực cơ bản của Tự nhiên: điện từ, lực mạnh và lực yếu của hạt nhân nguyên tử. Cùng với lực hấp dẫn (diễn tả bởi thuyết Tương đối rộng) chúng hợp thành bốn lực cơ bản chi phối cách vận hành và cấu trúc của vạn vật. Để chứng tỏ cơ chế BEH không chỉ là một ý tưởng thuần lý thuyết mà trái lại có thể kiểm chứng bởi thực nghiệm, điều tối quan trọng trong khoa học, riêng P. Higgs đã đề xuất là phải hiện hữu một hạt cơ bản vô hướng (spin 0). S.Weinberg gọi hạt này là boson Higgs mà CERN vừa tìm thấy dấu vết rất khả tin ngày 04/07/2012.
Hiện tượng lịch sử này các nhà vật lý hồi hộp đón chờ từ năm 1984 khi Trung tâm Âu châu Nghiên cứu Hạt nhân Nguyên tử (CERN) quyết định xây dựng máy gia tốc khổng lồ LHC [1] có năng lượng cao nhất thế giới để săn tìm hạt Higgs. Nó mở đầu một chương mới trong vật lý vì đây là lần đầu con người khám phá ra một lực mới lạ, lực mang khối lượng cho vật chất, coi như lực cơ bản thứ năm của Tự nhiên, bên cạnh bốn lực cơ bản quen thuộc nói ở trên. Nó gợi ra cách tiếp cận mới về khối lượng của vật chất, khác với quan điểm cố hữu coi khối lượng (hay năng lượng) là cái gì cho trước bởi Tự nhiên mà không ai hiểu nguồn gốc sâu xa. Theo Mô Hình Chuẩn, khối lượng của vật chất được tạo ra bởi sự tương tác của chúng với trường Higgs tràn đầy trong chân không của vũ trụ từ thủa nguyên thủy Big Bang. Khởi đầu tất cả đều không có khối lượng, do tương tác với trường Higgs mà vật chất mang khối lượng, nặng hay nhẹ tùy theo cường độ tương tác lớn hay nhỏ của chúng, càng tác động mạnh vật chất càng có khối lượng lớn.
Nguyên nhân nào thúc đẩy sáu nhà vật lý sáng tạo ra cơ chế BEH? Khởi đầu là sự tìm hiểu tại sao hạt ánh sáng (photon 
) không khối lượng lại trở thành có khối lượng khi nó di chuyển trong các vật liệu siêu dẫn. Nguyên lý "Đối xứng Chuẩn" (local gauge symmetry), trụ cột chi phối toàn diện bốn định luật cơ bản nói ở trên, bó buộc photon phải có khối lượng bằng 0, điều phù hợp với nguyên lý bất định Heisenberg theo đó khối lượng của một vật tỷ lệ nghịch với tầm truyền của nó (phụ chú 6). Vì đối xứng chuẩn bị phá vỡ một cách tự phát (spontaneouly broken) trong hiện tượng siêu dẫn khiến cho photon như mang một khối lượng. Vì có khối lượng nên nó chỉ có thể di chuyển trong một khoảng cách ngắn nhất định, khác với bản tính tự tại của sóng điện từ có thể truyền đi vô hạn. Bức tường ngăn chặn photon di chuyển trong vật liệu siêu dẫn chính là muôn ngàn cặp Cooper liên kết hai electron có spin đối nghịch và như vậy mang spin 0. Vì mang spin 0 nên các cặp này có thể hoà đồng với nhau như một thể ngưng tụ Bose-Einstein và vận hành như một dòng chảy của muôn ngàn điện tích và trở nên siêu dẫn.
Trong cơ chế BEH, cặp Cooper mang khối lượng cho photon được thay thế bởi trường Higgs để mang khối lượng cho hai boson chuẩn W, Z của lực hạt nhân yếu.
Đối xứng chuẩn và sự phá vỡ tự phát của nó đóng vai trò chủ yếu của lực cơ bản thứ năm mà sự khám phá ra hạt Higgs là một bước ngoặt lịch sử.
1-Vài điều về Đối xứng
Trong tiến trình khám phá các định luật khoa học, nhiều nhà nghiên cứu lấy nguồn cảm hứng trong cái đẹp cân đối hài hoà của thiên nhiên để quan sát, tìm tòi, suy luận, sáng tạo. Cái đẹp đó có thể chủ quan trong nghệ thuật, văn chương, hội họa, âm nhạc, nhưng trong khoa học nó khách quan, định lượng và mang tên gọi đối xứng, với dụng cụ toán học là nhóm đối xứng [2] để phân tích, xếp đặt thứ tự các trạng thái của hệ thống, tiên đoán những hậu quả.
Nguyên lý đối xứng đóng một vai trò quan trọng trong sự khám phá các định luật vận hành và cấu trúc của Thiên nhiên, đặc biệt của vật lý hạt cơ bản.
Đối xứng được định nghĩa theo nhà toán lý học Hermann Weyl (1885-1955) như sau: một định luật khoa học mang một tính đối xứng nếu nó biểu hiện không hề thay đổi khi ta tác động lên nó bởi một phép biến chuyển. Hình cầu là một minh hoạ rõ rệt nhất của một vật thể đối xứng: phép quay trong không gian ba chiều với bất kỳ một góc nào chung quanh tâm của hình cầu không làm nó thay đổi hình dạng. Nói cách khác, đường kính của hình cầu là một bất biến của phép quay chung quanh tâm của nó.
Có một định lý phổ quát và phong phú - khám phá bởi nhà toán học nữ Emmy Noether năm 1918 - theo đó khi một tính đối xứng chi phối một hệ thống vật lý nào đó thì phải có một định luật bảo toàn kèm theo, và như vậy phải có một đại lượng bất biến tương ứng.
Thí dụ định luật bảo toàn năng lượng là hệ quả tất yếu của tính đối xứng bởi sự chuyển đổi tịnh tiến của thời gian (một thí nghiệm thực hiện hôm nay, tháng trước hay tuần sau, trong cùng một điều kiện, cũng đều giống hệt nhau). Tính đối xứng bởi sự chuyển đổi tịnh tiến của không gian (thí nghiệm thực hiện trong cùng một điều kiện tại Hà Nội, Bình Nhưỡng hay La Habana đều như nhau) cho ta định luật bảo toàn xung lượng. Hai định luật bảo toàn này, theo thứ tự, diễn tả tính đồng nhất của thời gian (lúc nào cũng thế) và không gian (đâu cũng vậy). Ngoài ra còn có đối xứng bởi phép quay chung quanh một trục, nó đưa đến định luật bảo toàn xung lượng góc. Định luật này diễn tả tính đẳng hướng của không gian (bất kỳ chiều hướng nào cũng tương đương như nhau). Đồng nhất và Đẳng hướng là hai đối xứng cơ bản của không gian và thời gian.
Mỗi định luật cơ bản vật lý thường tự thân nó tuân thủ một phép đối xứng nào đó mà nhà nghiên cứu cần tìm kiếm ra. Thí dụ định luật điện từ, gói ghém trong bốn phương trình Maxwell, tuân theo phép đối xứng chuẩn (local gauge symmetry), mà hậu quả là sự bảo toàn điện tích. Điện tích chẳng bao giờ mất đi hay sinh ra cả, nó bất biến bởi phép biến chuyển chuẩn (gauge transformation). Danh từ chuẩn, cũng do Hermann Weyl đưa ra, hàm ý là không có một tiêu chuẩn, mẫu thước tuyệt đối nào trong cách tính toán đo lường giá trị nội tại của các đại lượng khoa học. Mét hay yard, lít hay gallon, đồng hay dollar đều tương đương cả, đó chỉ là ước lệ của con người. Bất biến bởi đối xứng chuẩn cũng như giá trị tự tại của một đại lượng, nó không phụ thuộc vào phương cách, đơn vị mà ta dùng để đo lường, tính toán.
Đối xứng chuẩn đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong tiến trình khám phá của vật lý, khởi đầu trong điện từ và sau đó lan rộng sang nhiều ngành như khoa học vật liệu, vật lý chất đông đặc ngưng tụ, vật lý hạt, vũ trụ thiên văn kèm theo những ứng dụng kỳ diệu trong công nghệ liên đới đến những ngành này [3].
Vậy đối xứng chuẩn là gì ? Ai trong chúng ta khi làm quen với cơ học lượng tử đều biết rằng bình phương độ lớn của hàm số sóng của electron |Ψ(x)|2 cho ta xác suất trạng thái của nó. Ta thấy ngay phép biến chuyển chuẩn 
với bất kỳ một hàm thực α(x) nào đều không làm thay đổi |Ψ(x)|2. Trong các hàm Ψ(x) và α(x), đối số x chỉ định tứ-vectơ 
của không-thời gian bốn chiều. Cũng vậy phương trình Maxwell của photon - diễn tả bởi tứ-vectơ điện thế 
- không hề thay đổi bởi phép biến chuyển chuẩn 
, ta thêm vào hay bớt đi một đạo hàm của bất kỳ hàm α(x) nào cũng không làm thay đổi phương trình Maxwell. Chính vì vậy mà đối xứng chuẩn chi phối toàn diện tương tác điện từ giữa electron với photon.
Cụ thể ta mường tượng đối xứng này như sau: điện thế của trái đất là một triệu volt và hai cực điện trong nhà là 1000000 volt và 1000220 volt, nhưng máy của chúng ta chạy với 220 volt không hề trục trặc mặc dầu hàng triệu volt điện thế của quả đất. Vì α(x) là bất kỳ hàm gì, nghĩa là có thể có muôn ngàn điện thế tùy tiện khác nhau ở mọi nơi trong hoàn vũ bao la, nhưng định luật chi phối sự vận hành của chúng phải được điều chỉnh ra sao để cho ta một trường điện từ duy nhất. Sự vận hành trong máy của chúng ta mang lên các thiên thể xa xăm không bị thay đổi bởi điện thế tuỳ tiện lớn hay nhỏ trên đó, điện tích của electron bao giờ cũng bất biến, ở đây hay ở đó, lực điện từ trong máy của chúng ta cũng là lực điện từ trên các thiên thể.
Hiện tượng SBS giúp ta hiểu tại sao boson chuẩn photon, trên nguyên tắc phải không có khối lượng, cuối cùng lại hóa ra có khối lượng trong hiện tượng siêu dẫn. Nó quả là một diệu pháp khiến cho hai boson chuẩn không khối lượng của lực yếu W, Z dựa vào để có khối lượng.top tác động mạnh mẽ nhất, neutrino hay electron lại quá hững hờ, còn photon thì hoàn toàn vô cảm.
Ý nghĩa của hiện tượng Higgs như lời tạm kết
Nếu hiện tượng vừa khám phá ở CERN được kiểm chứng sau này phù hợp với những đặc tính của boson Higgs (spin 0, những kiểu phân rã và sản xuất đúng như tiên đoán của Mô Hình Chuẩn) thì chúng ta đang chứng kiến một chương cũ sắp khép và một trang sử mới đang ló dạng trong vật lý. Khép chương cũ vì đã hoàn tất một đoạn đường dài là tất cả 17 hạt cơ bản trong Hình 1 đều được thực nghiệm khám phá hết cả, không còn gì thiếu sót. Điều này khẳng định hơn bao giờ hết sự vững chắc của Mô Hình Chuẩn, một lý thuyết nền tảng, một hệ hình mà từ đây mọi phát triển sau này đều phải dựa vào để phát triển xa hơn nữa.
Chương mới, vì cơ chế BEH thực sự lên ngôi, nó nhất quán, chính xác trên lý thuyết lại được thực nghiệm khẳng định. Cơ chế BEH này có thể ảnh hưởng sâu rộng đến nhiều ngành khác, nó được sinh ra qua một hôn phối đặc biệt giữa hai ngành xa lạ: vật lý chất đông đặc (siêu dẫn) và vật lý hạt (lực yếu của neutrino), boson Higgs là hình ảnh của cặp Cooper liên kết hai electron. Cách tiếp cận quy giản của các nhà vật lý hạt qua sự tìm kiếm phương trình cơ bản, đã huởng thụ cách tiếp cận mở, hiệu dụng thiên về tìm kiếm xấp xỉ những nghiệm số của phương trình Maxwell đã biết sẵn, quả là một bài học phong phú của phương pháp luận.
Chương mới, vì đây là lần đầu xuất hiện một hạt cơ bản duy nhất có spin 0 mang khối lượng cho vạn vật. Các hạt khác đều có spin khác 0: vật chất tượng trưng bởi quark và lepton có spin ½, boson chuẩn (lực nối kết và truyền tải thông tin để cho các viên gạch cơ bản của vật chất tương tác với nhau) có spin 1.
Trường vô hướng Higgs tràn ngập trạng thái chân không của vũ trụ ngay từ thủa sơ khai Big Bang, tương tác đặc biệt của nó với vật chất là để cung cấp khối lượng cho chúng. Càng tương tác mạnh bao nhiêu với trường Higgs, vật chất lại càng được tăng khối lượng bấy nhiêu, tựa như người không biết bơi, càng vùng vẫy mạnh càng nặng thêm mà chìm xuống, càng bất động im hơi càng nổi bềnh bồng. Quan điểm về khối lượng có thể đổi khác từ nay, sự tương tác trao đổi trong chân không lượng tử, một vũ đài náo nhiệt, mới chính là gốc nguồn của khối lượng và năng lượng.
Một câu hỏi để tạm kết: Tuy trường Higgs mang khối lượng cho vạn vật, nhưng cái gì mang lại cho chính boson Higgs cái khối lượng 126 Gev/ c2 mà LHC vừa khám phá ra? Đừng quên là khoảng 96% năng-khối lượng trong toàn vũ (mệnh danh là năng lượng tối và vật chất tối) hãy còn ở ngoài sự hiểu biết hiện nay của con người.
Một chân trời mới "hậu Mô Hình Chuẩn" đầy triển vọng đang đón chờ đóng góp, giải đáp bởi thế hệ trẻ.
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]