Peter Higgs và mảnh ghép cuối cùng của mô hình chuẩn 

Khám phá hạt Higgs là kết quả của một cuộc tìm kiếm trường kỳ, nỗ lực phi thường của thực nghiệm và nhận thức con người.

Peter Higgs qua đời ngày 8 tháng 4, thọ 95 tuổi. Sáu mươi năm trước, khi mới ba mươi lăm tuổi, ông đã đăng một bài báo khoa học, khiến ông nổi tiếng. Ông không phải là người duy nhất, một số nhà khoa học khác bao gồm Robert Brout và François Englert từ Brussels; Gerry Guralnik, Richard Hagen và Tom Kibble từ Anh và Hoa Kỳ đã công bố những kết quả tương tự cũng vào thời điểm đó. Họ đều ý thức được rằng công trình của mình –phương pháp đưa boson có khối lượng vào lý thuyết trường– một ngày nào đó sẽ có thể được hiện thực hóa, nhưng vào thời điểm đó làm việc đó cụ thể thế nào thì chưa rõ. Thật ra, năm 1967, khi Weinberg đề ra thuyết thống nhất tương tác điện từ và tương tác yếu, sau những nỗ lực của Glashow và Salam, việc này đáng ra đã trở nên rõ ràng. Nhưng khi đó, lý thuyết này chưa được chấp nhận một cách rộng rãi vì không có đủ bằng chứng thực nghiệm. Dự đoán chính của lý thuyết này về dòng trung hòa (neutral current) vẫn chưa được phát hiện. Người ta phải đợi sáu năm sau, khi Gargamelle đưa ra bằng chứng đầu tiên về sự tồn tại của chúng tại CERN, và đợi thêm sáu năm nữa để công trình này được trao giải Nobel năm 1979. Chỉ đến năm 2010, đóng góp của Brout-Englert-Guralnik-Hagen-Higgs-Kibble (BEGHHK) mới được công nhận xứng đáng bằng giải thưởng Sakurai, sau khi công trình của họ được đưa vào danh sách các bài báo quan trọng do Physical Review Letters xuất bản hai năm trước đó nhân dịp kỷ niệm 50 năm thành lập. Sau phát hiện các hạt boson W và Z yếu vào năm 1983, hạt quark đỉnh (top) năm 1995, Mô hình Chuẩn (Standard Model) của Vật lý Hạt được chấp nhận từ đó; chỉ còn thiếu một mảnh ghép cuối cùng của Mô hình: boson Higgs. Boson Higgs được phát hiện tại CERN năm 2012 và ngay sau đó năm 2013 Peter Higgs đã được trao giải Nobel Vật lý cùng với François Englert. Lúc đó, Robert Brout đã qua đời.

Cố gắng làm rõ đóng góp riêng biệt của từng thành viên trong nhóm BEGHHK là vô ích và không có nhiều ý nghĩa. Họ đều là những nhà vật lý lý thuyết xuất sắc và đóng góp quan trọng của họ xây dựng nên Mô hình Chuẩn của vật lý hạt là không thể phủ nhận. Tuy vậy, “danh tiếng” của boson Higgs trong công chúng có vẻ bị cường điệu hóa. Khám phá hạt Higgs là kết quả của một cuộc tìm kiếm trường kỳ, nỗ lực phi thường của thực nghiệm và nhận thức con người. Tất nhiên, boson Higgs hoàn toàn có thể được gọi là boson Englert, boson Kibble, hay nói một cách dân chủ hơn là boson BEGHHK. Năm 1993, Leon Lederman xuất bản một cuốn sách về lịch sử vật lý hạt với tựa đề: Hạt của Chúa, trong đó ông giải thích: “Boson này hết sức quan trọng đối với sự phát triển của vật lý ngày nay, với sự hiểu biết cuối cùng của chúng ta về cấu trúc của vật chất, nhưng truy bắt nó khó đến mức tôi đã phải đặt cho nó biệt danh: Hạt của Chúa (God Particle). […] Nhà xuất bản sẽ không cho phép chúng ta lấy tựa đề cuốn sách là Hạt Chết tiệt [tác giả chơi chữ gọi là Goddamn Particle], mặc dù đó có thể là một tựa đề phù hợp hơn, vì bản chất “xấu xa” và hao tổn mà nó gây ra”.

Vào giữa thế kỷ trước, chúng ta chưa hiểu vật lý hạt cơ bản. Chưa có đủ bằng chứng thực nghiệm để đưa ra một lý thuyết hoàn chỉnh cho vật lý hạt cơ bản. Tuy nhiên, khi đó chúng ta đã biết đủ nhiều về vật lý nguyên tử, phân tử và hạt nhân để phần nào cảm thấy chắc rằng, bằng một cách nào đó, chúng ta sẽ có thể mô tả vật lý hạt giống như cách chúng ta mô tả điện từ. Quả thực, đến thời điểm đó, cơ học lượng tử và thuyết tương đối (cả hẹp lẫn tổng quát) đã phát triển chín muồi và chúng ta đã có thể xây dựng thành công lý thuyết trường lượng tử cho điện từ -gọi là điện động lực học lượng tử, QED- một mô hình tao nhã, đặc biệt nổi với vẻ đẹp toán học của nó. 

Ta đã biết gì? Ta đã biết rằng các nguyên tử được tạo thành từ các electron chuyển động quanh hạt nhân, tạo thành từ các proton và neutron; neutron trong một số hạt nhân có thể phân hủy thành một proton, một electron và một neutrino; neutrino được đưa ra để đảm bảo sự bảo toàn năng lượng nhưng khó đo đạc, có phần mang tính suy đoán. Chúng ta biết đến những bức xạ khác ngoài beta, cụ thể là alpha và gamma, nghiên cứu những quá trình bức xạ này mở ra cánh cửa để tìm hiểu cấu trúc hạt nhân và bản chất của lực hạt nhân. Nghiên cứu các tia vũ trụ và tương tác của chúng trên núi cao và trong các tấm nhũ tương cho thấy sự tồn tại của các hạt mới đầy bí ẩn: pion và muon. Đến nửa sau thế kỷ này, những khám phá thực nghiệm quan trọng mới đã tạo nên một cuộc cách mạng trong vật lý. Bắt đầu vào năm 1956, Yang và Lee đưa ra bằng chứng về vi phạm chẵn lẻ trong phân rã beta. Năm 1957, Bardeen, Cooper và Schrieffer giải được câu đố tồn tại nhiều năm về siêu dẫn. Những năm sau đó chứng kiến làn sóng khám phá quan trọng được thực hiện trên các máy gia tốc hạt. Đặc biệt, năm 1964, khi BEGHHK công bố công trình của họ, Gell-Mann và Zweig, một cách độc lập, đã đề xuất sự tồn tại của các hạt quark như những hạt cơ bản tạo nên proton và neutron. Các hạt quark được đề xuất này khác xa so với những gì được biết đến sau này. Ban đầu chúng được cho là tồn tại dưới dạng các hạt tự do và nỗ lực lớn đã bắt đầu được thực hiện để tìm kiếm chúng. Cũng vào năm 1964, Fitch và Cronin đã khám phá ra hiện tượng vi phạm đối xứng CP với phân rã của hạt kaon. Ngoài ra, rất nhiều nỗ lực được thực hiện để tìm kiếm boson yếu (gọi là W), hạt đóng vai trò như photon trong QED nhưng cho phân rã beta. Boson này phải có khối lượng lớn mới có thể giải thích được tác động tầm ngắn của lực tương tác yếu. Người ta đã tìm kiếm nó trên khắp các kênh, nhưng giới hạn khối lượng tìm kiếm lúc đó quá thấp, nhỏ hơn giá trị thực của W một bậc.

Vào năm 1964, các nhà vật lý lý thuyết cố gắng mô tả những hiện tượng vật lý mới bằng những thuật ngữ tao nhã như với QED nhưng không thành công. Phần lớn các nỗ lực tập trung xây dựng lý thuyết trường lượng tử nhằm làm sáng tỏ các khái niệm mới và hy vọng truyền cảm hứng cho nhiều ý tưởng khác. Đặc biệt thành công khi đó là bất biến chuẩn (gauge invariance) và phá vỡ đối xứng tự phát (spontaneous symmetry breaking).

Mối liên hệ sâu sắc giữa đối xứng và đại lượng bảo toàn, chẳng hạn bất biến của phép tịnh tiến thời gian hàm ý sự bảo toàn năng lượng, đã được Emmy Noether trình bày rõ ràng vào đầu thế kỷ trước. Trong lý thuyết trường lượng tử, điều này được khái quát hóa bằng cách xem xét các nhóm biến đổi giữ cho hệ bất biến, người ta nói đến các phép biến đổi chuẩn và bất biến chuẩn. Các phép biến đổi này và biểu diễn của chúng trong không gian chứa các trạng thái lượng tử của hệ cũng tuân theo kiểu đại số toán học tương tự như vậy. Đại số được đặc trưng bởi hệ thức giao hoán, khi các giao hoán tử của hai phép biến đổi cũng là một phép biến đổi thì người ta gọi là nhóm Lie. Nguyên mẫu của phép biến đổi như vậy là thế điện từ 4 chiều Aμ trừ đi gradient của một hàm không-thời gian tùy ý, A’μ=Aμ–∂μθ(x). Phép biến đổi này giữ cho trường bất biến và biến đổi trạng thái Ψ thành trạng thái Ψ’=eiQθ(x)Ψ, trong đó Q là điện tích electron. Những phép biến đổi này tạo thành một nhóm, gọi là U(1). Nếu kể cùng câu chuyện này theo cách ngược lại, chúng ta sẽ bắt đầu bằng việc giới thiệu nhóm đối xứng U(1) dưới phép biến đổi eiQθ. U(1) được gọi là nhóm chuẩn. Tiếp theo, chúng ta yêu cầu bất biến chuẩn, cụ thể là bất biến khi nhân với eiQθ và gọi nó là bất biến chuẩn “cục bộ” vì θ(x) được chọn tùy ý tại bất kỳ điểm x nào trong không-thời gian. Tất nhiên, điều đó là không thể vì một số hạng i∂μ(Qθ)Ψ*Ψ đã được thêm vào Ψ*∂μΨ. Để có được bất biến, chúng ta cần đưa vào vectơ 4 chiều Aμ biến đổi dưới dạng A’μ=Aμ–∂μθ(x) và thay thế ∂μ  bằng Dμ=∂μ+iQAμ; cụ thể là, việc áp bất biến chuẩn với nhóm chuẩn U(1) đã tạo ra một boson chuẩn (gauge boson) không có khối lượng, đó chính là photon. Phương thức tương tự được dùng làm cơ sở cho việc xây dựng Mô hình Chuẩn. U(1), thay vì tác động lên điện tích Q, giờ đây phải đề cập đến một dạng biến đổi của nó, được gọi là siêu tích yếu, YW. Siêu tích yếu tuân theo hệ thức Q=T3+½Yw, trong đó T3 là spin đồng vị yếu, cho phép các phép biến đổi U(1) giao hoán với các phép biến đổi SU(2) liên quan đến tương tác yếu. Tương tác yếu chỉ có thể cảm nhận được bởi các hạt thuận tay trái (left-handed particle) và nhóm chuẩn của nó là SU(2), với bộ ba boson chuẩn không khối lượng. Đối với tương tác mạnh, tương đương với điện tích được gọi là màu (colour), mỗi quark có ba màu khác nhau, các boson chuẩn là bộ tám (octet) các gluon và nhóm chuẩn của tương tác mạnh là SU(3).

Tuy nhiên, các boson yếu phải có khối lượng lớn chứ không thể không có khối lượng như trong lý thuyết: nhiệm vụ của chúng ta vẫn chưa hoàn thành. Chìa khóa giải câu đố này đã được cung cấp bởi một khái niệm sâu sắc vốn có của lý thuyết trường lượng tử: phá vỡ đối xứng tự phát. Và đây là lúc BEGHHK bước vào cuộc chơi. Nambu (năm 1960) và Goldstone (năm 1961) đã chứng minh rằng các boson không khối lượng phải xuất hiện trong các mô hình thể hiện phá vỡ đối xứng tự phát liên tục (kết quả được phát triển trên những nghiên cứu của Anderson đưa ra vào năm 1958 về các trạng thái kích thích kết hợp, bất biến chuẩn và hiệu ứng Meissner trong siêu dẫn). Điều này đã được khái quát hóa một cách hệ thống trong khuôn khổ lý thuyết trường lượng tử bởi Goldstone, Salam và Weinberg vào năm 1962. Phá vỡ đối xứng tự phát đã được Goldstone minh họa dưới dạng thế năng “sombrero” (mũ rộng vành, xem hình): như vậy vô số trạng thái cơ bản là có thể, tất cả đều tương ứng với cùng một đại lượng, nhưng việc chọn một trong số chúng sẽ phá vỡ tính đối xứng. Bất biến dưới phép biến đổi trạng thái cơ bản này sang trạng thái cơ bản khác dẫn đến sự xuất hiện của các hạt vô hướng mới không khối lượng, được gọi là các boson Nambu–Goldstone, mỗi hạt tương ứng với một phần tử sinh của đối xứng bị phá vỡ. Năm 1964, kết luận này được coi là không thể tránh khỏi. 

Công lao của BEGHHK là nhận ra rằng lập luận này không đúng trong trường hợp lý thuyết chuẩn (gauge theory). Điều xảy ra sau đó là boson chuẩn không khối lượng và boson Nambu-Goldstone không khối lượng kết hợp với nhau để tạo ra một boson chuẩn có khối lượng. Công bằng mà nói kết quả này thu hút rất ít sự chú ý vào thời điểm ra đời. Phải đến khi thống nhất điện yếu được thực hiện nó mới trở nên quan trọng. Vấn đề là các boson chuẩn của U(1) và SU(2) được xác định theo một pha chung, về nguyên tắc có thể được chọn tùy ý. Khi đó người ta có thể quay chúng một góc chung θW, gọi là góc Weinberg hay góc yếu, làm cho đối xứng tương ứng bị phá vỡ. Khi làm như vậy theo cách mà boson chuẩn U(1) sau khi được quay trở thành photon, các boson chuẩn yếu sẽ trở nên có khối lượng. Những boson này bao gồm một cặp boson tích điện, W±, và một boson trung hòa duy nhất, Z. Chỉ vậy thôi, thật đơn giản, … và cảm ơn BEGHHK! Chúng ta đã tạo ra một boson vô hướng có khối lượng, sau này được gọi là boson Higgs. Khối lượng của nó không được ràng buộc một cách chặt chẽ, người ta ước tính nó có khối lượng cỡ từ 100 GeV đến 1 TeV. Trên thực tế, hóa ra nó rất nhỏ, nhưng chúng ta không thể biết được điều đó? Không biết chính xác khối lượng cho nên tìm kiếm hạt Higgs có nghĩa là phải tìm trên toàn bộ phạm vi khối lượng được coi là hợp lý của nó, đồng nghĩa với nỗ lực lớn trong việc chế tạo máy gia tốc và máy dò. Cùng với vai trò cụ thể của nó trong lý thuyết, những nỗ lực phi thường đòi hỏi các nhà thực nghiệm và kỹ sư đã mang lại cho boson Higgs một hào quang đặc biệt theo cách nhìn nhận của công chúng.

Higgs sinh ra ở Anh, trải qua thời thơ ấu ở Birmingham và ở Bristol, ở đó ông theo học tại trường cấp hai nơi Dirac đã học khoảng ba mươi năm trước đó. Ở tuổi 17, ông chuyển đến Trường City of London, nơi ông học chuyên về toán học. Một năm sau đó, ông chuyển đến King’s College London, nơi ông tốt nghiệp và lấy bằng thạc sĩ vào năm 1952. Tại đây, ông được trao học bổng nghiên cứu về vật lý phân tử và nhận bằng tiến sĩ năm 1954 với luận án có tiêu đề Một số vấn đề trong lý thuyết dao động phân tử. Sau đó, ông được bổ nhiệm làm Nghiên cứu viên cao cấp tại Đại học Edinburgh (1954–1956), nơi ông trở lại vào năm 1960 với tư cách là giảng viên tại Viện Vật lý Toán học Tait, sau khi giữ nhiều chức vụ khác nhau tại Imperial College London và University College London. Ông trở thành thành viên của Hiệp hội Hoàng gia Edinburgh vào năm 1974 và được đề bạt chức Chủ tịch danh dự của lĩnh vực Vật lý Lý thuyết vào năm 1980.

Bắt đầu từ những năm 70, khi sự thành công của thuyết thống nhất điện yếu mang lại danh tiếng và vinh quang cho tên tuổi của mình, ông đã được trao nhiều giải thưởng, huy chương và danh hiệu khác nhau, đỉnh cao là giải Nobel năm 2013. Higgs thường cảm thấy không thoải mái với những vinh dự như vậy, chúng không phù hợp với ông với xu hướng có phần “phi truyền thống” của ông. Ông từ chối phong tước hiệp sĩ vào năm 1999 và, được trao giải thưởng Wolf về Vật lý năm 2004 cùng với Brout và Englert, ông đã từ chối tham dự lễ trao giải ở Jerusalem để phản đối cách đối xử của Israel với người Palestine. Năm 2012, ông chấp nhận là thành viên của Order of the Companions of Honor [Huân chương Danh dự (Anh), người nhận huân chương được kết nạp như một thành viên danh dự] vì, sau đó ông nói rằng, ông đã nhầm tưởng rằng vinh dự chỉ là món quà của Nữ hoàng. Người nhận huân chương này được quyền sử dụng chữ CH sau tên của mình; khi được mọi người hỏi chữ đó có nghĩa là gì, ông ấy trả lời đùa rằng “điều đó có nghĩa tôi là một người Thụy Sĩ danh dự.” [CH là mã quốc gia của Thụy Sĩ] Nói chung, ông từng tỏ ra hoài nghi đối với hệ thống vinh danh, cho rằng nó được chính phủ sử dụng cho mục đích chính trị. Khi nghe đồn mình được trao giải Nobel, ông đã ra ngoài để tránh sự chú ý của truyền thông; ông được hàng xóm cũ thông báo được trao giải trên đường về nhà, ông không có điện thoại di động.

Quả thực, Higgs không phải là kiểu người đúng đắn về mặt chính trị như hệ thống phân cấp của ông mong muốn. Vào đầu những năm sáu mươi, ông hoạt động tích cực trong Chiến dịch giải trừ vũ khí hạt nhân, nơi ông gặp vợ mình, nhưng sau đó từ bỏ vai trò thành viên khi nhóm bắt đầu vận động chống lại năng lượng hạt nhân. Tương tự, ông rời Greenpeace mà ông là thành viên khi nhóm phản đối sinh vật biến đổi gene. Ông đã tích cực tham gia vào chi hội Giáo viên Đại học tại Đại học Edinburgh, qua đó ông vận động nhân viên tham gia nhiều hơn vào việc quản lý khoa vật lý. Ông là một người vô thần và bày tỏ sự không hài lòng với biệt danh “Hạt của Chúa”; ông than thở rằng mọi người quá dễ nhầm lẫn giữa khoa học và tôn giáo.□

Phạm Ngọc Điệp dịch

 Bài đăng Tia Sáng số 8/2024