Giải Nobel Vật lý 2013

Ngày 8/10/2013 Hàn lâm viện Khoa học Hoàng gia Thụy điển đã thông báo giải Nobel Vật lý 2013 được trao cho hai nhà khoa học sau đây (từ trái sang phải): François Englert (Đại học Libre de Bruxelles, Brussels, Bỉ) và Peter W. Higgs (Đại học Edinburgh, Anh) vì sự phát hiện ra lý thuyết của cơ chế giúp chúng ta hiểu nguồn gốc khối lượng của những hạt hạ nguyên tử (subatomic), lý thuyết này đã được kiểm nghiệm nhờ tìm ra hạt cơ bản  tiên đoán trong lý thuyết trên các thí nghiệm ATLAS và CMS tại LHC (Large hadron Collider) tại CERN. Số tiền thưởng 1 triệu 300 ngàn Mỹ Kim được chia đôi cho hai nhà khoa học.


Thống nhất các tương tác

Thống nhất các  tương tác là vấn đề trung tâm của vật lý hiện đại. Những nhà vật lý kiệt xuất nhất đã tham gia vào công cuộc thống nhất này: Newton thống nhất lý thuyết chuyển động các thiên thể và chuyển động các vật thể trên mặt đất thành lý thuyết hấp dẫn cổ điển, sau đó Einstein sáng tạo lý thuyết tượng đối tổng quát mô tả hấp dẫn tương đối tính, Maxwell thống nhất từ học và điện học thành lý thuyết điện từ, Abdus Salam, Sheldon Glashow và Steven Weinberg (giải Nobel năm 1979)  thống nhất lý thuyết điện từ với tương tác yếu thành lý thuyết điện yếu.
Sau đó lý thuyết GUT (Grand Unification theory-Lý thuyết thống nhất lớn) ra đời để thống nhất ba tương tác điện từ, yếu và mạnh (hai tương tác sau là tương tác hạt nhân). Khó khăn lớn nhất mà các nhà vật lý đối diện hiện nay là thống nhất 3 tương tác trên với hấp dẫn.

Lý thuyết về hạt Higgs nằm trong sơ đồ các lý thuyết thống nhất của Nambu

Cơ chế Higgs là cơ chế tạo khối lượng cho các hạt. Cơ chế này nằm trong khuôn khổ các hiện tượng được phát hiện trước đây bởi Yoichiro Nambu (hình 1) liên quan đến cấu trúc  chân không  của trường lượng tử trong siêu dẫn.

Thế nào là trường chuẩn ( gauge field)

Khi chúng ta biến nhóm đối xứng G thành nhóm đối xứng định xứ (local) G(x) tức là nhóm phụ thuộc vào từng điểm x của không gian thì  lý thuyết chỉ  bất biến đối với nhóm G (x) nếu ta đưa vào lý thuyết các trường chuẩn A,  trường chuẩn A sẽ đóng vai trò các hạt truyền tương tác, vai trò liên thông (connection) giữa các điểm: ví dụ điện từ trường, trường Yang-Mills, trường hấp dẫn (hệ số Ricci).

Sơ đồ Nambu

Xét một  lý thuyết bất biến đối với nhóm G . Các hạt  ban đầu đều có khối lượng = 0. Để thực hiện phá vỡ đối xứng tự phát ta đưa vào lý thuyết  n trường HIGGS ghi là  H và  chọn trị số của trường Higgs sao cho chân không không còn đối xứng G nữa mà chỉ còn lại đối xứng G’ thấp hơn đối xứng G và trong số n hạt Higgs sẽ  có một số hạt biến thành hạt Goldstone không có khối lượng .

Để biến lý thuyết thành lý thuyết định xứ (local), ta phải đưa vào lý thuyết  các  trưòng chuẩn A. Số hạt Goldstone nói trên sẽ biến thành phần dọc của một số trường chuẩn A,  số trường chuẩn A này vốn không có khối lượng nay lại có khối lượng,  như vậy chúng ta còn lại  một số   hạt Higgs  không bị các trường chuẩn nuốt mất, đó là các hạt  Higgs thực (real)  còn các  hạt Higgs đã bị các trường gauge nuốt mất gọi là các hạt  Higgs ma (ghost).

Sơ đồ trên là cơ sở của các lý thuyết thống nhất  như lý thuyết thống nhất điện yếu (mô hình chuẩn – standard model) mà chúng ta sẽ nói đến sau đây. Những công trình của Yoichiro Nambu mang một ý nghĩa  lớn đối với vật lý học hiện đại. Nhiều người cho rằng Yoichiro Nambu là một trong những bộ óc sâu sắc đầy sáng tạo của thời đại chúng ta.

Yoichiro Nambu, giải Nobel Vật lý năm 2008  nhiều năm nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn và phát hiện ra rằng chân không là một yếu tố quan trọng liên quan đến phá vỡ đối xứng tự phát khi chân không là trạng thái với năng lượng thấp nhất không có đối xứng G của hệ mà chỉ có một đối xứng G’ thấp hơn.

Hiện tượng luận của siêu dẫn

Xét năng lượng tự do F là hàm số của điện từ trường và hàm sóng  vĩ mô nhiều hạt f , thông số m = a (T- Tc) và  g hằng số tự tương tác của f. Nếu T > Tc ta có năng lượng tự do F tối thiểu (ứng với chân không) lúc  l f l = 0 và đối xứng chân không vẫn chưa bị phá vỡ.

Song nếu  T< Tc thì  l f l 2 = – m /(2g )> 0, lúc này có sự phá vỡ đối xứng tự phát và có thể chứng minh được rằng điện trở lúc này bằng không. Và chúng ta chuyển sang pha siêu dẫn. Hàm f đóng vai trò tương tự của trường Higgs.

Tiếp cận vi mô của  siêu dẫn

Trong chất dẫn điện thông thường, dòng điện được xem như một chất lỏng của các electron chuyển động trong một mạng các ion nặng. Các electron luôn va chạm với các ion của mạng và mỗi lần va chạm một phần năng lượng của dòng sẽ bị hấp thụ bởi mạng ion. Đó là hiện tượng điện trở.

Trong chất siêu dẫn, chất  lỏng không còn là dòng các electron riêng lẻ mà là dòng của những cặp electron nối liền nhau bởi các phonon có tên là cặp Cooper. Phổ năng lượng của dòng các cặp Cooper này chứa một khe năng lượng, điều này có nghĩa cần thiết một năng lượng  dE để có thể kích thích chất lỏng. Nếu dE lớn hơn  năng lượng nhiệt của chất lỏng ( kT) thì chất lỏng không bị khuếch tán bởi mạng  như vậy chất lỏng các cặp Cooper là một chất lỏng siêu chảy chuyển động mà không mất năng lượng  hay nói cách khác ta có được hiện tượng siêu dẫn.

Năm 1960  Nambu đưa ra ý tưởng  rằng hiện tượng phá vỡ đối xứng tự phát trong lý thuyết siêu dẫn cũng tồn tại trong lý thuyết trường lượng tử và các  hạt cơ bản. Nambu đã xây dựng một mô hình động học các hạt cơ bản dựa trên sự tương tự với siêu dẫn. Hai công trình quan trọng của Nambu về vấn đề này được công bố trên tạp chí Physical Review [1],[2]. 


Hình 1.  Yoichiro Nambu


Hiệu ứng Meissner

Trong một chất siêu dẫn thì từ trường không thể xâm nhập sâu và lịm dần ở một khoảng cách nhất định cỡ chục micron. Vì sao? Mọi việc xảy ra nhu là photon  trong siêu dẫn tự nhiên thu được khối lượng (giống như các hạt gặp phải trường Higgs thu được khối lượng) nên không còn có tương tác  tầm xa (long-range) nữa mà lại có tương tác  tầm gần  ( short-range ) vì đã có khối lượng.Vậy trường các cặp Cooper đóng vai trò như trường Higgs. Và ta có hiện tượng dường như  photon tương tác  với trường các cặp Cooper mà trở nên có khối lượng. Điều này làm cho từ trường mất tương tác tầm xa nên không thâm nhập vào chất siêu dẫn được (hình 2).


Hình2  . Hiệu ứng Meissner. Các đường từ trường B  với mũi tên bị đẩy ra ngoài siêu dẫn khi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ tới hạn

Thống nhất điện yếu

Tương tác điện từ và tương tác yếu được thống nhất Steven Weinberg and Abdus Salam  1967 trong khuôn khổ của mô hình chuẩn (Standard Model-SM).Tương tác yếu trong phân rã  bêta chỉ tác động lên các hạt trái (left-handed).

Theo sơ đồ Nambu lúc ban đầu ta có lagrangian L=L (l) trong đó l là các lepton không khối lượng tham gia các tương tác điện từ và tương tác yếu.

Một yếu tố quan trọng trong lý thuyết điện yếu là sự phá vỡ đối xứng. Ta cần đưa vào lý thuyết các hạt Higgs. Tác nhân phá vỡ đối xứng đó chính là hạt Higgs. Bây giờ ta có L=L(l,H). Thế năng hạt Higgs có dạng một cái mũ Mexico (hình 3). Nếu chọn chân không tại một điểm ở đáy vành mũ thì chân không mất đối xứng ban đầu.


Hình3  . Thế năng hạt Higgs

Sau khi chân không bị phá vỡ đối xứng một số hạt Higgs biến thành hạt Goldstone. Muốn lý thuyết trở thành định xứ ta đưa vào các trường chuẩn A không có khối lượng và ta có L=L(l,H,A). Nhờ cơ chế Higgs một số lepton thu được khối lượng và một số hạt A nuốt lấy các hạt Goldstone để trở thành các hạt chuẩn có khối lượng và cuối cùng ta có L= L (e,v, W+,W, Zo, γ ) trong đó e là electron có khối lượng, v là neutrino không có khối lượng, W+,W, Zo  là các boson có khối lượng và theo thứ tự có điện tích dương, âm và trung tính  chuyển tải tương tác yếu, còn   là photon không khối lượng chuyển tải tương tác điện từ. 

Hạt Higgs là một boson  có spin  bằng không, do nhà vật lý Xcốt-len Peter Higgs  đưa vào lý thuyết năm 1964. Như ta thấy hạt Higgs  tạo ra khối lượng cho các hạt khác khi tương tác với chúng. Hạt Higgs được nhà vật lý Leon Lederman, giải Nobel 1988 mệnh danh là hạt của Chúa (particule de Dieu) vì sứ mệnh to lớn của nó là tạo ra khối lượng cần thiết cho các hạt, là trụ cột hạ tầng chống đỡ các lý thuyết hiện hành. 50 năm đã trôi qua đến nay hạt HIGGS – một hạt giả tưởng tối cần thiết không thể thiếu được cho vật lý hiện đại – mới được phát hiện.

Sự tồn tại của hạt HIGGS là  một yếu tố quan trọng của mô hình chuẩn SM ( Standard model ), một mô hình  vốn đã đưa ra được những hệ quả được kiểm nghiệm trong thực nghiệm.

Như vậy một số hạt thu được khối lượng thông qua tương tác với hạt Higgs thay vì sở hữu khối lượng một cách nội tại, người ta xem hạt Higgs như chiếm đầy không gian và tương tác với các hạt khác (xem hình 4).


Hình 4 . Trường Higgs được xem là một trường chiếm đầy không gian như một chất lỏng và đã tạo khối lượng cho các boson W và Z. 

Trường Higgs có thể hình dung như một môi trường mật đường (molasses) kết dính với hạt không có khối lượng khi hạt này đi qua và biến  hạt này thành  hạt có khối lượng.

Chúng ta cũng đã biết hạt cơ bản nhất cấu thành vật chất là hạt quark. Có 6 loại quark: up, down, strange, charm, bottom và top, dịch ra tiếng việt là: trên, dưới, lạ, duyên, đáy và đỉnh. Người ta hiện nay đang chú ý nhiều đến hạt quark đỉnh. Hạt quark này được phát hiện lần đầu tiên vào những năm 80 trên máy Tevatron của phòng thí nghiệm Fermilab, một phòng thí nghiệm năng lượng cao ở gần Chicago. Hạt quark  này có đặc điểm quan trọng: nó nặng nhiều lần  hơn proton và nhiều trăm nghìn lần hơn electron. Đây quả là một trong các hạt đỉnh điểm của gia đình các hạt cơ bản.

Khối lượng của hạt HIGGS liên quan nhiều đến khối lượng các hạt khác như các boson  “ W”, “ Z “ và quark đỉnh ( top quark).

Một số sơ đồ để phát hiện hạt Higgs

Sau đây là một số sơ đồ Feymann sử dụng trong các thí nghiệm (xem các hình  5 & 6). Trong sơ đồ ở hình 6 người ta cho proton và phản proton va chạm nhau ở năng lượng cao, sau va chạm ta có hạt Higgs, hạt này phân rã thành các hạt W và cuối cùng ta có các hạt lepton và  neutrino .


Hình 5. Va chạm của proton và phản proton cho ta hạt Higgs.

Hình 6. Các sơ đồ khác có hạt Higgs tham gia, từ trái sang phải: 1/  tống hợp hai gluon (gg fusion), 2/  tổng hợp quark t và phản quark t (t&anti t fusion), 3/ bức xạ Higgs (Higgs-Strahlung), 4/ tổng hợp các hạt W và Z (WZ fusion).

Năm 1964 ba nhà vật lý Robert Brout, Francois Englert và Peter Higgs  độc lập với nhau ( Robert Brout đã mất năm 2011, đây là một thiệt thòi cho Brout) đã đưa ra lý thuyết về hạt nay được gọi là hạt Higgs [3],[4].Trong năm 2012 hạt này đã được tìm ra tại CERN.

Theo SM (Standard Model) mọi vật từ hoa cỏ đến con người đến các vì sao và hành tinh đều được xây dựng nên bởi các hạt vật chất . Những hạt này điều khiển bởi các lực chuyển tải bởi các hạt lực (force particles).

Song SM còn thiếu một yếu tố là hạt Higgs vốn chiếm đầy không gian. Nếu hạt này không tồn tại thì mọi hạt như electron, quark,…đều không có khối lượng như photon. Như vậy chúng sẽ khuếch tán trong không gian với vận tốc ánh sáng và không có khả năng nào giam giữ chúng trong nguyên tử và phân tử. Không có điều gì thậm chí cả chúng ta cũng không tồn tại được.

Hạt Higgs đã hoàn thiện được mô hình SM (hình 7).Francois Englert và Peter Higgs giải Nobel Vật lý 2013 đã cứu sống SM khỏi sự sụp đổ.


Hình 7 . Hạt Higgs lấp đầy lỗ trống của SM.

Mô hình SM đã thống nhất 3 trong 4 loại tương tác ( tương tác hấp dẫn còn nằm riêng). Trong lý thuyết lượng tử các hạt được xem là dao động của các trường lượng tử.  Hạt Higgs  là dao động của trường Higgs.

Thiếu hạt Higgs thì mô hình SM không đứng vững. Trường Higgs giống như không khí đối với chúng ta và nước đối với cá. Không có Higgs chúng ta không tồn tại được vì các hạt chỉ thu được khối lượng khi tương tác với hạt Higgs. Nếu Higgs biến mất thì mọi hạt đều không có khối lượng và khuếch tán với tốc độ ánh sáng trong không gian.

Hạt Higgs phá vỡ đối xứng nội tại của vũ trụ. Đối xứng của SM buộc rằng các hạt không có khối lượng, hạt Higgs phá vỡ đối xứng và các hạt thu được khối lượng (hình 8).


Hình 8.Vũ trụ khi tạo ra vốn đối xứng và hạt Higgs lúc bấy giờ cũng đã có một đối xứng ứng với quả bóng nằm tại điểm đáy của cái chén. Song 10 -11 giây sau Bigbang trường Higgs phá vỡ đối xứng khi nó chuyển mức năng lượng thấp nhất khỏi điểm đối xứng trung tâm.

Máy LHC (Large Hadron Collider-Máy Va chạm Hadron Lớn)

Một tập thể mạnh các nhà khoa học trên thế giới đang sở hữu  một thiết bị siêu đại  chưa từng có trong lịch sử vật lý : máy LHC.

LHC được xây dựng gần biên giới Pháp-Thụy sĩ. Đây là một máy gia tốc có cấu trúc hướng hai chùm hadron (hadron là các hạt nặng) va chạm nhau  ở vùng năng lượng tera ( TeV = tera electron-volt= 10 12 eV). Một trong các mục tiêu chính của LHC là tìm ra hạt Higgs. Trước đây việc truy tìm hạt Higgs được thực hiện tại  máy gia tốc Tevatron của Fermilab đến khi máy này ngừng hoạt động vào năm 2011.

Khi máy gia tốc Tevatron phòng thí nghiệm Fermi ngừng hoạt động khoảng 2 năm trước thì trung tâm CERN trở thành cơ sở duy nhất săn tìm hạt Higgs.

Tại CERN có LHC (Large Hadron Collider-Máy va chạm lớn các hadron), một siêu máy mà con người từng xây dựng nên. Tại đây có 2 nhóm (mỗi nhóm 3000 người) sử dụng 2 detector lớn là ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus-hình 9) và CMS (Compact Muon Solenoid).Các detector này được đặt 100m dưới đất và có thể quan sát 40 triệu va chạm trong một giây. Đó là tần số va chạm khi cho hai hạt chuyển động đối đầu nhau trong LHC ( độ dài bay 27 km).


Hình 9. Detector ATLAS và các bộ phận chính. ATLAS dài 44 m đường kính 25m ghi đo thông tin từ 90 triệu sensor.

Hai proton được phóng ngược chiều nhau, chúng chuyển động với vận tốc gần vận tốc ánh sáng va chạm nhau ở năng lượng 8TeV (TeV= ngàn triệu eV).Năng lượng này sẽ được nâng lên gấp đôi vào năm 2015.

Năm 2012 trong ATLAS và CMS người ta đã tìm thấy hạt Higgs (xem hình 10).Đây là một thành tựu lớn của vật lý hiện đại.


Hình 10 .  Bên trái trong ATLAS ta thấy 4 muon tạo nên khi hạt Higgs phân rã (Image: CERN, http://cds.cern.ch/record/1459496)

Bên phải trong CMS một hạt Higgs đã được hình thành  và lập tức phân rã thành hai photon  (Image: CERN, http://cds.cern.ch/record/1459496)

Sau bí ẩn Higgs còn lại một bí ẩn khác

Hạt Higgs đã được tìm ra , như vậy một bí ẩn của vũ trụ đã được giải mã. Sau hạt Higgs nhiều thí nghiệm nữa còn phải tiếp tục để giải mã một bí ẩn khác (hình 11).Đó là bí ẩn về vật chất tối. Vật chất tối có thể chiếm đến 30% mật độ tới hạn (tức mật độ ứng với lúc không thời gian là phẳng).


Hình 11.Phía sau bí ẩn về hạt Higgs là bí ẩn về vật chất tối.

Trong các thập kỷ  đến các nhà vật lý hy vọng có thể nhờ hạt Higgs để thiết lập được sự tiếp xúc với vật chất tối.  Hơn 70 năm đã trôi qua mà bài toán vật chất tối – một trong những bài toán cơ bản của vật lý – vẫn chưa có lời giải !

Kết luận

Việc tìm ra hạt Higgs  minh chứng cho sự đúng đắn của lý thuyết kỳ diệu xây dựng nên bởi các nhà vật lý [3] trong đó có Francois Englert và Peter Higgs, giải Nobel vật lý 2013.Nhiều nhà vật lý tin rằng  hạt Higgs có thể sẽ dẫn đến việc giải mã nhiều bí ẩn khác của vũ trụ ?

Tài liệu tham khảo
[1] Y. Nambu, G. Jona-Lasinio: ”A Dynamical Model of Elementary Particles based on an Analogy with Superconductivity II”, Physics Review 124 (1961) sid. 246.
[2] Y. Nambu, G. Jona-Lasinio: ”A Dynamical Model of Elementary Particles based on an Analogy with Superconductivity I”, Physics Review 122 (1961) sid. 345.
[3] Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2013.
Một ghi chú: Ý tưởng về cơ chế Higgs còn được ba nhà vật lý khác là Gerard Guralnik, Carl Hagen và Thomas Kibble đề xuất cùng năm 1964.
[4] Popular information (Nobel Prize in Physics 2013).

Tác giả