Giáo sư Phùng Văn Đồng – Người săn hạt

Không hứa hẹn nhiều ánh hào quang rực rỡ, cũng hiếm hoi có sự ghi nhận và tưởng thưởng từ xã hội, vậy điều gì thôi thúc những nhà nghiên cứu ở các lĩnh vực khoa học cơ bản như giáo sư Phùng Văn Đồng (ĐH Phenikaa) theo đuổi con đường mình đã chọn?

Nếu rọi cái nhìn tò mò vào các lĩnh vực như toán học và vật lý, có thể nhiều người sẽ sớm cảm thấy thất vọng. Với đông đảo công chúng, các công trình nghiên cứu đều chứa những thông tin khó nắm bắt. Do đó, có lẽ, chỉ nhờ vào những cuộc công bố rộng khắp các giải thưởng như Nobel, Fields, Abel, Breakthrough… đi kèm với những cụm từ năm nào cũng được nhắc đến như “quan trọng và danh giá bậc nhất”, “đột phá”, “mở ra một chương mới”… thì người ta mới “ồ à” về những điều khó hiểu. Đó thực sự là những cơ hội, dẫu thoáng qua nhưng cũng để người ta chú ý đôi chút đến sự tồn tại của khoa học cơ bản và những đóng góp của nó đối với xã hội. Khi tính sốt dẻo của sự kiện qua đi, mọi người nhanh chóng chuyển hướng quan tâm đến vô vàn vấn đề sát sườn và dễ tiếp cận khác, vốn lúc nào cũng đầy rẫy trong xã hội.   

Nhưng cũng giống như những quy luật cơ bản của tự nhiên – luôn luôn có mặt quanh chúng ta, bất chấp việc chúng ta có nhận biết được sự tồn tại của chúng hay không – các nhà nghiên cứu vẫn lặng lẽ làm việc và chia sẻ những gì mình làm ra với các cộng đồng chuyên ngành nhỏ. Niềm vui thuần khiết của họ trong những cuộc tìm kiếm cái mới dưới sự dẫn dắt của trí tò mò, hoặc trở lại với bài toán cũ với một cách tiếp cận khác, mang những sắc thái riêng biệt. Riêng với giáo sư Phùng Văn Đồng, địa hạt của anh là vũ trụ sớm – thời điểm cách đây 13,7 tỷ năm, khi vũ trụ được làm lạnh vừa đủ cho các hạt nhân nguyên tử liên kết với nhau và “sau đó thì trong lịch sử vũ trụ, không có cái gì đáng quan tâm nữa”, như nhận xét của Steven Weinberg. Trong vô số vấn đề của vũ trụ sớm, anh tập trung vào neutrino, thứ hạt được Wolfgang Pauli tiên đoán vào năm 1930 và sau đó được “giáo hoàng” Enrico Fermi đặt tên.

Đó là cái đích khao khát của cộng đồng vật lý thế giới, và hơn nữa, của giáo sư Phùng Văn Đồng và nhóm nghiên cứu của anh, trong nỗ lực đơn lẻ mong góp thêm một mảnh ghép vào bức tranh chung, từ Việt Nam, nơi vẫn còn gần như vô danh trên bản đồ vật lý thế giới.

Theo đuổi hạt khó nắm bắt

Vào giữa năm 2019, khi giáo sư Phùng Văn Đồng (khi đó còn là PGS) mới chuyển về ĐH Phenikaa, nhiều giảng đường của ngôi trường này đang trong quá trình xây dựng. Không gian ngổn ngang, gần như chưa định hình, những ô đất dành sẵn để trồng cây vẫn còn trống trơn. Nhóm nghiên cứu nhỏ mới thành lập của anh có năm người, ngoại trừ trưởng nhóm thì ba mới xong tiến sĩ, tân binh chưa có kinh nghiệm còn một có chút kinh nghiệm vẫn chật vật tìm chỗ đứng… Tất cả dường như mới ngơ ngác bắt đầu.

Tồn tại từ thuở bình minh của vũ trụ nhưng neutrino không bao giờ bị cũ đi, ngược lại, những điều bí ẩn khiến nó vẫn mới từng ngày.

Sau ba năm, một diện mạo khác bao trùm nơi này. Các tòa nhà cao tầng nhiều màu sắc mọc lên, những bãi cỏ xanh mướt và các cây bàng lá nhỏ đã vừa xòe tán. Phòng làm việc của giáo sư Phùng Văn Đồng, đặt ở tầng năm một tòa nhà gắn với giảng đường, có cửa sổ nhìn xuống nhà thi đấu đa năng và những tán lá xanh lấp lánh. Trên tường, Albert Einstein trong bức chân dung nổi tiếng một tay đặt lên bàn, đôi mắt vui vẻ, nheo nheo hơi giễu cợt gợi cho đám hậu sinh nhớ đến một câu nói của ông “Học từ ngày hôm qua, sống cho ngày hôm nay, hy vọng cho ngày mai. Điều quan trọng nhất là không ngừng đặt câu hỏi”. Có điều gì đó ở đây, trong không gian này, thôi thúc người ta làm việc. Chí ít đó là điều Phùng Văn Đồng và các cộng sự của anh thực hiện trong vòng ba năm qua, với “Cơ chế khối lượng neutrino và hệ quả vũ trụ học”, đề tài do Quỹ NAFOSTED tài trợ kèm cam kết bốn công bố trên tạp chí hạng top.

Tồn tại từ thuở bình minh của vũ trụ nhưng neutrino không bao giờ bị cũ đi, ngược lại, những điều bí ẩn khiến nó vẫn mới từng ngày. Có lẽ, với người ngoài, thật khó hình dung ra sự hiện diện của thứ hạt được sinh ra hằng ngày từ bầu khí quyển và mặt trời, với ba dạng (flavor – vị) là neutrino electron, neutrino muon và neutrino tau; lại càng khó tin là cứ mỗi giây, hàng tỉ tỉ các hạt neutrino đâm xuyên qua mọi vật thể và cả trái đất như những tia sáng chiếu qua các ô cửa cửa kính mà không gặp phải trở ngại nào. Nếu một hạt neutrino nào đó bị bắn vào tâm trái đất thì rất nhiều khả năng là người ta sẽ tìm thấy chúng ở bề mặt bên kia. Ngay hiện tại, trong lúc ai đó tình cờ đọc bài báo này, hàng triệu triệu hạt như vậy cũng vô thức xuyên qua cơ thể từng giây nhưng cũng không thể cảm nhận được. “Neutrino hiếm khi tương tác với bất cứ thứ gì. Trong số bốn lực cơ bản của vũ trụ, chúng không tương tác với vật chất bằng lực hạt nhân mạnh – lực liên kết các proton và neutron với nhau để tạo thành một hạt nhân, cũng không tương tác bằng lực điện từ – vốn đòi hỏi sự hiện diện của các hạt mang điện tích, như sự liên kết của các electron với hạt nhân để tạo thành một nguyên tử”, giáo sư Phùng Văn Đồng giải thích. “Trớ trêu là chúng chỉ tương tác duy nhất qua lực hạt nhân yếu – nguyên nhân dẫn đến các quá trình biến đổi hạt nhân, như phân rã phóng xạ của các hạt nhân không bền, và lực hấp dẫn thậm chí bị triệt tiêu do khối lượng cực nhỏ của neutrino”.

Có lẽ, lường trước được sự bí ẩn này nên vào năm 1930, khi giải thích sự giải phóng ra ngoài hạt nhân của electron và kèm theo một hạt trung hòa về điện tích, cực nhẹ về khối lượng trong phân rã beta, Wolfgang Pauli đã thốt lên “Tôi đã làm một việc khủng khiếp là tiên đoán sự tồn tại của một hạt có thể không ghi đo được”.

Không ai biết chắc về đứa con hơn cha đẻ của nó. Quả thật, neutrino với tính chất và hành xử kỳ lạ nằm ngoài bất cứ phạm vi gì mà các nhà vật lý biết, ví dụ theo Mô hình chuẩn – hệ thống lý thuyết về các hạt cơ bản và lực cơ bản được dùng để miêu tả vũ trụ – thì neutrino không có khối lượng. Trong một thời gian dài, phần lớn các nhà vật lý đã nghĩ như vậy. “Cho đến năm 1998, khám phá ra dao động neutrino mới làm thay đổi tình hình và đem lại manh mối để đi đến kết luận là khối lượng hạt neutrino khác không”, giáo sư Phùng Văn Đồng nói. “Căn nguyên là khi một neutrino được sinh ra và đi qua một quãng đường đủ lớn-ví dụ neutrino muon được sinh ra từ vỏ khí quyển hay neutrino electron được sinh ra từ mặt trời rồi chúng đi đến trái đất-thì neutrino dạng (vị) này đã chuyển hóa sang neutrino dạng (vị) khác với khối lượng khác”. Như vậy, các neutrino có khối lượng khác không và trộn lẫn là cần thiết cho sự chuyển vị – dao động neutrino. 

Ý tưởng nghiên cứu về cơ chế sinh khối lượng hạt neutrino không đến một cách ngẫu nhiên vô chừng, giữa lúc xuôi theo dòng chảy chung. Bản năng của một nhà nghiên cứu khiến giáo sư Phùng Văn Đồng bị hút về chủ đề này từ trước khi chọn Phenikaa nhưng chỉ ở đây, anh mới có đủ nguồn lực để tập trung vào, nhằm đánh giá ảnh hưởng của khối lượng neutrino đến các giả thuyết vũ trụ học. Anh giải thích, “vì phát triển của vật lý học là quá trình thống nhất các tương tác, nên cơ chế sinh khối lượng neutrino không phải là ngoại lệ, một khi nó được tìm ra, sẽ đem lại những kiến giải sâu sắc về nhiều vật lý mới khác, chẳng hạn vật chất tối, bất đối xứng vật chất – phản vật chất, lạm phát và tiến triển của vũ trụ sớm, v.v.”. Tất cả như sự sắp đặt vừa khéo cho cuộc “săn hạt” của một nhóm mà người chủ chốt chuyên về vật lý hạt và vũ trụ học, và các thành viên có năng lực nhất định về một trong những hướng này.

Nhưng mọi thứ có bao giờ đến một cách dễ dàng, rất có thể sẽ về tay không – không chỉ ra được một mối liên hệ nào giữa neutrino và vấn đề vũ trụ, bởi neutrino vẫn được coi là thứ vật chất khó nắm bắt. Nhưng việc tìm hiểu một loại hạt mà sự tồn tại đã gắn liền với sự mơ hồ và phù du như vậy lại đầy sức lôi cuốn. “Trong cộng đồng vật lý năng lượng cao, số bài báo liên quan đến khối lượng neutrino và vật chất tối chiếm khoảng 2/3 tổng số công bố mỗi ngày”, anh cho biết.

Nhưng thật ra, có dễ đạt được kỳ vọng, với các nhà nghiên cứu Việt Nam?

Cuộc chiến nội tại

Trong một giai thoại, khi có người tò mò hỏi vợ Einstein là bằng cách nào mà nhà vật lý này lại có được các phát kiến “kinh thiên động địa” thì bà trả lời: ông ấy thường dùng mặt trái của một tấm phong bì cũ. Ngày nay, không chỉ những trang giấy, các nhà lý thuyết đã được trang bị vũ khí tới tận răng với các hệ thống tính toán hiện đại và cả những kết quả từ các thực nghiệm săn hạt lớn ở Pháp, Đức, Nhật Bản, Mỹ, Ý… cập nhật miễn phí thường xuyên, và các tạp chí vật lý hạt thì mở cho cộng đồng đọc. Địa hạt vật lý neutrino gần như một trận tiền mở mà người xung trận có thể tiếp cận vấn đề từ bất cứ phía nào, miễn là có thể cắm lá cờ hy vọng của mình ở đó bởi “về lý thuyết, có quá nhiều cách giải thích nó. Không có lý thuyết duy nhất ở hiện tại, thậm chí có nhiều đề xuất khác nhau cùng cho ma trận khối lượng neutrino phù hợp, giải thích chuyển hóa neutrino. Để kiểm chứng những giả thuyết này, cần những kết quả thực nghiệm ở tương lai”, giáo sư Phùng Văn Đồng nói.

Sự mơ mộng của một nhà lý thuyết khiến anh nghĩ đến hệ quả mà cơ chế khối lượng neutrino có thể đem lại: những kiến giải sâu sắc về nhiều vật lý mới, chẳng hạn vật chất tối, bất đối xứng vật chất – phản vật chất, diễn tiến vũ trụ sớm…

Cơ hội được trao cho tất cả các nhà lý thuyết ở khắp mọi nơi trên thế giới. Do đó, để thành công “mình có đủ nghiêm túc và đủ tầm hay không, có đem lại những kết quả thực sự có ý nghĩa phản ánh chân lý hay không?”. Những câu hỏi như vậy cứ trở đi trở lại trong tâm trí anh, ngay cả khi nhóm chỉ có năm người nhưng vẫn tự tin đề xuất một đề tài dạng mạnh. “Với anh em mới về Phenikaa lúc ấy, rất khó để giải thích với hội đồng Vật lý của Quỹ rằng chúng tôi là một tập thể nghiên cứu có gắn kết thực thụ để được công nhận là nhóm mạnh theo một trong các tiêu chuẩn của Quỹ NAFOSTED”, anh kể. Việc đề xuất một đề tài mạnh, nghĩa là phải có kết quả tương đương với nhóm mạnh, đem đến sức ép đáng kể. Hơn thế, phép thử cho một nhóm đang ở giai đoạn bắt đầu, ngay cả khi được đặt dưới sự dẫn dắt của người mà theo đánh giá của giáo sư Phạm Thành Huy, hiệu trưởng ĐH Phenikaa, “không chỉ là một nhà khoa học tài năng trong lĩnh vực nghiên cứu của mình mà còn là người nghiêm túc, đã ‘đóng cửa’ làm việc là tập trung cao độ”.

Khi nghĩ về các nhà khoa học, người ta thường nghĩ đến sự thông minh, tài năng hơn người. Nhưng trên thực tế, đức tính trước hết phải là nghiêm túc, thậm chí nghiêm khắc, bởi nói như giáo sư Đào Tiến Khoa “Làm khoa học mà không tự nghiêm khắc thì khó trưởng thành”. Điều đó có ở giáo sư Phùng Văn Đồng. Ngày ngày, cứ bảy giờ sáng, bất chấp mưa nắng và cả COVID, anh có mặt tại trường, trước cả thời điểm những người lao công bắt đầu dọn dẹp, và chỉ trở về nhà khi việc đã “hòm hòm”. Thường thì khi nào việc hòm hòm? Ồ cũng không cố định lắm, khi thì bảy giờ, khi thì chín mười giờ, cũng tùy.

Bằng cách nào đó, sự nghiêm túc và say mê của trưởng nhóm đã “chuyển vị” sang các thành viên. Ban đầu, lịch seminar được anh ấn định hai tuần một lần nhưng trên thực tế, mọi người thảo luận với nhau thường xuyên. “Khi gặp vấn đề khó thì ai cũng cố gắng sắp xếp thời gian để có thể trao đổi với nhau. Môi trường nghiên cứu chính là thế, làm khoa học không phải chờ lên lịch”, anh nói.

Có lẽ, chỉ khi làm việc một cách say mê, hơn là dưới sức ép của một cam kết, khoa học mới thực sự “nở hoa”. “Khi gửi một thuyết minh, chúng tôi chỉ biết bài toán chứ chưa biết mấy đến kết quả đâu. Mình phải vạch ra được con đường sẽ đi và đưa ra kỳ vọng về kết quả. Nếu biết trước kết quả thì không còn quá nhiều động lực để làm và thuyết minh thực chất là đăng ký kết quả thì đúng hơn”, giáo sư Phùng Văn Đồng nêu quan điểm. Trong hồ sơ, anh đề xuất bốn mô hình dựa trên nguyên lý đối xứng Baryon-Lepton (B-L) để giải thích cơ chế khối lượng hạt neutrino là mô hình với đối xứng B-L Abel; mô hình với đối xứng B-L không Abel; mô hình với đối xứng B-L toàn cục; Lạm phát mô hình 3-3-1, đối ngẫu gauge/gravity, và flip tối thiểu, không chỉ nhằm giải thích khối lượng neutrino, các quá trình vật lý của hương vị, các dị thường vật lý mới ở máy gia tốc, moment từ dị thường muon… mà còn giải thích bất đối xứng số baryon, sự phân bố vật chất tối, sự giãn nở gia tốc của vũ trụ sớm đồng thời hâm nóng vũ trụ… Rút cục, “đề xuất như thế nào thì kết quả như thế, phần lớn như kỳ vọng nhưng cũng có kết quả khá khác, không giống đề xuất”, anh nói.

Khác ư? Nghĩa là cuộc săn hạt về đích với “điểm thưởng”?

Điểm thưởng cho người say mê

Việc theo dấu các hạt neutrino và dao động của chúng giúp con người hiểu về sự tiến hóa của vũ trụ và các quá trình diễn ra trong lòng nó. Neutrino được tạo ra trong giây đầu tiên của vũ trụ, ngay sau Big Bang, khi vũ trụ giãn nở đủ và bắt đầu hâm nóng, tạo ra các loại hạt và phản hạt. Chúng cũng được tạo ra từ mặt trời, từ sự phân rã của các hạt nhân không bền, như uranium và thorium, trong lòng đất, từ những tương tác hạt nhân ở các siêu tân tinh… Do không phân rã, các hạt neutrino vẫn tồn tại, biến vũ trụ thành một “kho lưu trữ” đặc biệt, chờ người khám phá.

“Vật chất tối liên quan chặt chẽ đến neutrino. Trong lý thuyết tôi đề xuất, vật chất tối bền là do một cái thứ mà người ta gọi là tích tối và tích tối rất đơn giản, nó chính là điện tích và mầu tích”. (GS Phùng Văn Đồng)

Khi đề xuất mô hình để giải thích dao động neutrino, giáo sư Phùng Văn Đồng còn đặt cho mình một mục tiêu khác nữa, đó là dùng kết quả để giải thích các hệ quả vật lý khác. “Điều đấy rất quan trọng, bởi vì ngoài neutrino, mình còn phải giải thích rất nhiều thứ, chẳng hạn như vật chất tối. Trong vũ trụ sớm, các vật lý mới được thông nhất, do đó chúng có liên hệ với nhau”. Vũ trụ có khoảng 70% năng lượng tối, 25% vật chất tối, còn lại 5% là vật chất thông thường, trong đó neutrino. Nhiều nhà vật lý nghi ngờ chính neutrino trơ (ngoại lai) là ứng viên của vật chất tối. Anh tự đặt câu hỏi: vật chất tối được biết là trung hoà về điện tích và màu tích, nhưng tại sao nó lại bền vững như thế trong thang đo vũ trụ? Giống như vật chất thông thường bền vững do bảo toàn các tích đã biết, anh tìm thấy “nguyên lý đảo cho khối lượng neutrino và vật chất tối” — một nguyên lý đối xứng khác với các đối xứng đã biết, rút ra từ giả thuyết về sự liên tục của điện tích. Theo cảm nhận của mình, anh nghĩ đó có thể là một nguyên lý còn thiếu sót trong Mô hình chuẩn.

Thực ra, ý tưởng đối xứng đảo dẫn đến một thứ vật lý mới có liên quan không phải là mới nhưng vẫn còn không gian để khai phá bởi nguyên lý của đối xứng đảo vẫn chưa được hiểu một cách rõ ràng và ý nghĩa của nó cũng chưa được nghiên cứu nhiều. Đối xứng đảo của Phùng Văn Đồng khá thú vị: nó cho ngay hệ quả về khối lượng neutrino, hệ quả về vật chất tối và khác hoàn toàn với điều đã biết trước đây. “Vật chất tối liên quan chặt chẽ đến neutrino. Trong lý thuyết tôi đề xuất, vật chất tối bền là do một cái thứ mà người ta gọi là tích tối và tích tối rất đơn giản, nó chính là phiên bản của điện tích và mầu tích”, anh nói.

Einstein từng nói “Chân lý luôn đơn giản”. Nghe thì thú vị nhưng thực ra thường rất khó để hình dung ra sự ‘đơn giản’ ấy bởi cái nhìn của chúng ta thường bị những khái niệm đã biết che mờ. Phải nhìn sự vật với con mắt mới, hiểu được trọn vẹn vấn đề và tưởng tượng cách mọi thứ vận hành thì tất cả mới trở nên đơn giản. Khi tự nhận thấy mình đủ hiểu và đủ tự tin để giải thích vấn đề một cách ngắn gọn và tường minh, giáo sư Phùng Văn Đồng đã trình bày lý thuyết trong bốn trang giấy với tiêu đề “Flipping principle for neutrino mass and dark matter” (Nguyên lý đảo cho khối lượng neutrino và vật chất tối), gửi tới Physical Review D, dưới ở hình thức letter – vốn dành riêng cho những đề xuất ở dạng rất nguyên thủy và ngắn, có thể giải quyết được những bài toán lớn. “Là tạp chí hàng đầu về vật lý hạt, lý thuyết trường, hấp dẫn và vũ trụ, Physical Review D hằng năm xuất bản khoảng 4.000 bài báo nhưng chỉ có khoảng trên dưới 100 bài ở dạng letter”, anh giải thích.

Niềm vui của người làm nghiên cứu, không có gì khác ngoài việc tạo ra một kết quả đẹp và có thể giải thích rất nhiều thứ liên quan một cách trọn vẹn. Cuộc săn hạt của giáo sư Phùng Văn Đồng, bên cạnh điều đó, còn gieo thêm hạt mầm khoa học ở hai nghiên cứu sinh, và đem lại cho những người như TS. Phạm Đình Nguyên, giám đốc Quỹ NAFOSTED, sự ấm áp mỗi khi nghĩ về “nhà khoa học thuần khiết, trung thực”, và cảm thấy thêm lý do để nỗ lực chèo chống cơ quan tài trợ cho khoa học cơ bản lớn nhất Việt Nam này.   

***

Khoa học cơ bản, hay đơn giản như hạt neutrino mà giáo sư Phùng Văn Đồng theo đuổi, thì có ý nghĩa gì với cuộc sống này? Có lẽ, sẽ có nhiều người đặt câu hỏi như vậy, ngay trong lúc hàng triệu triệu hạt neutrino xuyên qua cơ thể mỗi giây. Với cái hữu hạn của đời người, thật khó vặn ngược bánh xe thời gian gần 14 tỷ năm, quay trở lại đúng thời điểm khởi sinh vũ trụ để chứng kiến cả quá trình nóng lên mãnh liệt đến một nghìn nghìn tỉ lần so với điểm nóng nhất vũ trụ ngày nay rồi nguội dần đi, đem lại cả không gian rộng lớn cho các dạng vật chất, các hạt khác nhau sinh ra rồi phân rã ở mức 10^-6 giây. Những vòng lặp tái sinh không ngừng. Những hạt như thế cứ chết đi, chết đi để sinh ra vật chất bền, và qua đó là các thiên hà, hệ mặt trời, và cả trái đất chúng ta đang sống. Vũ trụ đã diễn tiến một cách tinh vi để có được trạng thái như ngày nay, có thể là do sự dự phần của các hạt neutrino nhẹ hơn electron cả triệu lần. Do đó, các hạt neutrino sẽ mở ra cánh cửa vào thế giới vật lý mới để chúng ta nhìn vào lịch sử vũ trụ và cách chúng vận hành. Có thể, nó sẽ cho chúng ta lý giải về vật chất tối, năng lượng tối, sự tồn tại của sự phi đối xứng vật chất – phản vật chất…

Giản dị hơn, đó có thể là cách “ghi công” các hạt neutrino. Chúng đã hành xử theo cách riêng biệt để đảm bảo sự hình thành của trái đất. Theo cách đó, cuộc săn hạt neutrino chính là để trả lời câu hỏi mà ai cũng muốn biết “tại sao chúng ta, giống loài homo sapien, lại tồn tại”? □