Jack Steinberger: một đời cho vật lý hạt
Ông là nhà vật lý hạt từng giành giải Nobel với những khám phá về hạt neutrino muon.
Khi nhà vật lý hạt Jack Steinberger bắt đầu sự nghiệp vào năm 1945, các nhà khoa học mới biết một chút về các hạt hạ nguyên tử. Ngày nay, hàng loạt bằng chứng và những khối cơ bản của nó đã được hệ thống hóa vào trong mô hình chuẩn của vật lý hạt. Qua đời ở tuổi 99, Steinberger đã có đóng góp vô cùng to lớn – từ khám phá ra các hạt để phân nhóm chúng. Ông chia sẻ giải Nobel Vật lý vào năm 1988 với Melvin Schwartz và Leon Lederman cho thực nghiệm năm 1962 phát hiện ra sự tồn tại của hai dạng riêng biệt của một hạt bí ẩn: hạt neutrino.
Neutrino hiếm khi tương tác – chúng có thể băng qua trái đất. Chúng không mang điện tích và phản hồi lực tương tác hạt nhân ‘yếu’, vốn tương tác trong các hạt nhân nguyên tử và chi phối hiện tượng phóng xạ. Từ những năm 1930, các nhà khoa học đã dự đoán về các hạt neutrino và tính toán mức năng lượng chưa giải thích được có thể phát xạ các hạt electron trong phân rã phóng xạ. Steinberger và cộng sự đã chứng tỏ có nhiều dạng neutrino. Họ tìm thấy loại thứ hai, liên quan đến hạt muon — một hạt tương tự với hạt electron bền nhưng nặng hơn 200 lần và với một thời gian sống ngắn hơn. Steinberger cũng giúp tìm ra các đặc tính của hạt quark, những cấu tử cơ bản của proton và neutron.
Sinh ra trong một gia đình Do thái Đức, Steinberger đã nhanh chóng rời khỏi đất nước sau khi phát xít cầm quyền và tới Mỹ vào năm 1934. Bố mẹ nuôi ở Chicago, Illinois, đã tạo điều kiện để ông được hưởng sự giáo dục tốt. Đầu tiên, Steinberger học hóa tại trường đại học Chicago, tham gia quân đội Mỹ sau khi tốt nghiệp năm 1942, chỉ một năm sau khi Mĩ tham gia vào Đồng Minh ở đại chiến thế giới thứ hai. Ông làm việc với các nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts tại Cambridge về việc dùng radar để cải thiện độ chính xác của máy bay ném bom.
Sau chiến tranh, ông trở lại trường đại học Chicago để theo đuổi niềm đam mê vật lý. Ông được chính Enrico Fermi, người từng được giải Nobel vật lý năm 1938 với việc thực hiện chuỗi phản ứng hạt nhân đầu tiên. Fermi cũng từng nghiên cứu về lý thuyết hạt neutrino và đặt tên cho nó, do đó Fermi đã gợi ý cho Steinberger bí ẩn về sự phân rã của muon, vốn từng tìm thấy trong các tia vũ trụ vào năm 1936. Khi bị phá vỡ, hạt này trở thành một electron và mất năng lượng. Steinberger quy mức năng lượng này không chỉ tạo thành một mà hai hạt neutrino, một giả thuyết mà sau này ông xác nhận về mặt thực nghiệm năm 1948.
Melvin Schwartz, Jack Sandweiss, Martinus Veltman và Jack Steinberger thảo luận. Nguồn: mainpost.de
Khao khát khai thác những thiết bị và kỹ thuật là một dấu ấn trong nghiên cứu của Steinberger. Trong năm 1949, ông làm việc tại Phòng thí nghiệm Phóng xạ tại trường đại học California, Berkeley, nơi ông sử dụng một máy gia tốc mới để nghiên cứu về pion, một loại hạt từ tia vũ trụ khác. Ông đã chứng tỏ sự tồn tại của hạt pion trung hòa về mặt điện tích có thời gian sóng rất ngắn, vốn từng được ông tính toán trước đó bằng lý thuyết. Ông rời tới đại học Columbia ở New York vào năm 1950, một phần vì ông từ chối ky vào một lời tuyên thệ chống cộng sản. Ở đó, ông khai thác một buồng bong bóng (bubble chamber) mới được phát minh ở thời điểm đó – thiết bị cho phép thấy được những con đường các hạt di chuyển nhanh trong propane lỏng hoặc hydro – để làm ra những khám phá về những hạt mới. Nó bao gồm những hạt ‘lạ’ vì chúng phân rã chậm hơn gì người ta dự đoán.
Chính tại Columbia, Steinberger và đồng nghiệp đã thực hiện thí nghiệm huyền thoại giúp họ giành giải Nobel. Cựu sinh viên của Steinberger là Schwartz đã tạo ra được một một chùm neutrino năng lượng cao. Họ cũng khai thác một máy gia tốc mới tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, New York, và xây dựng một máy dò có khả năng tác động nhanh tạo ra những vệt hạt có thể tìm thấy được như những đường tia trên thang độ lớn. Một tấm bảo vệ bằng thép dày 13,5 mét, được làm từ các tấm thép bảo vệ tàu chiến được họ dùng để ngăn các hạt, ngoại trừ hạt neutrino, và một buồng tia 10 tấn được thiết kế để phát hiện ra cả những hạt khác.
Steinberger chuyển tới châu Âu vào năm 1968 để làm việc tại CERN, Phòng thí nghiệm vật lý hạt gần Geneva, Thụy Sĩ. Buồng đa dây, mới được phát minh, có khả năng thu thập dữ liệu nhanh gấp ngàn lần buồng bọt. Steinberger dùng nó để mở rộng nghiên cứu của mình về các hạt lạ. Năm 1983, ông phụ trách việc thiết kế và vận hành một thực nghiệm lớn mang tên ALEPH để khai thác vành va chạm máy gia tốc Electron–Positron lớn ở CERN. Trong năm 1989, ALEPH đã chứng minh được không chỉ có ba hạt neutrino – electron và muon neutrino, và một hạt thứ ba liên kết với hạt tau, một hạt ‘electron nặng’ khác được khám phá vào năm 1975. Chính phát hiện này đã hoàn tất câu chuyện mà Steinberger đã bắt đầu với luận án tiến sĩ của mình.
Steinberger nghỉ hưu ở CERN vào năm 1986 nhưng vẫn tiếp tục làm việc với các nhà nghiên cứu của thí nghiệm ALEPH cho đến những năm 1990. Ông còn quan tâm đến vật lý thiên văn và biến đổi khí hậu, và cùng một số nhà khoa học đoạt giải Nobel khác ký Tuyên bố Mainau năm 2015 để đề nghị các chính phủ giới hạn phát thải khí nhà kính.
Jack Steinberger được giới khoa học khâm phục bởi thiên hướng và năng lực trong vai trò của một nhà vật lý thực nghiệm, sự thông tuệ hiểu biết của một người cố vấn và bởi sự tử tế của một người bạn chân thành. Không phải lúc nào ông cũng đúng – ví dụ sau khi thua cuộc một số người bạn là các nhà vật lý lý thuyết về một khía cạnh nào đó của vật lý, ông thường ‘nộp’ phần thua là một chai rượu vang ngon. Ông cũng quan tâm sâu sắc về sự vận hành của thế giới tự nhiên, tham gia các buổi leo núi và chèo thuyền.
Thờ ơ với các giải thưởng, ông thường nói rằng niềm tin của ông là “kỳ vọng vào việc một vài người trong số chúng ta tốt hơn những người khác không phải là một điều tốt”. Ông luôn cảm thấy mình may mắn trong cuộc đời và nhận thấy là gia đình Chicago đã trao cho ông nhiều cơ hội giáo dục khi còn nhỏ. Do đó ông cho rằng “Anh chỉ có một cuộc đời: hãy đón nhận bất cứ thứ gì sẽ đến”.
Anh Vũ tổng hợp
Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-020-03655-w
https://www.nytimes.com/2020/12/16/science/jack-steinberger-dead.html
