Vũ trụ trong chiếc nón lá

Hai nhà vật lý, Fabiola Gianotti và Joe Incandela, những người đã trình bày kết quả của hai thí nghiệm ATLAS và CMS, là hai đồng nghiệp trẻ của tôi tại UA2 (thí nghiệm mà tôi là phát ngôn viên trong những năm tám mươi). Fabiola tham gia vào thí nghiệm khi cô còn là một nghiên cứu sinh trẻ. Có lần tôi trực vận hành máy gia tốc cùng với cô; hôm đó đường điện bị hỏng do một cơn bão nên máy không thể vận hành được trong khoảng thời gian dài. Chúng tôi không thể làm gì hơn ngoài việc chờ đợi. Lúc đó, Fabiola mang theo cuốn sách Finnergans Wake của tác giả James Joyce. Chúng tôi đã nói rất nhiều về James Joyce và cả tiểu thuyết Ulysses của ông. Tôi rất ấn tượng về cô ấy: ở tuổi cô, tôi thậm chí không biết James Joyce là ai. Còn Joe thì tham gia cùng với chúng tôi khi anh là thực tập sinh sau tiến sỹ. Anh thực hiện nghiên cứu về đơn cực từ Dirac cho luận án tiến sỹ của mình tại Chicago. Mặc dù, Joe không tìm thấy đơn cực từ nào nhưng anh thiết lập được những điều kiện ràng buộc chặt chẽ về sự tồn tại của chúng. Tôi nhớ khi đến thăm Joe vào thời điểm đó, thí nghiệm của anh được bày trên một chiếc bàn, nổi bật lên là một vòng dây lớn và anh ấy gần như chỉ làm việc một mình. Bây giờ, anh làm việc cùng với hàng ngàn cộng sự…

Hai phát ngôn viên hiện nay của ATLAS và CMS, Fabiola và Joe, minh họa rõ nét con đường mà nhiều nhà vật lý và kỹ sư theo đuổi trong suốt ba thập kỷ qua. Con đường dẫn đến thành công của họ quả là dài và đầy khó khăn. Máy gia tốc đối chùm và các hệ đo của nó cực kỳ phức tạp, tất cả các chi tiết đều dùng thứ công nghệ hiện đại nhất, và sự vận hành trơn tru một cách đáng kinh ngạc của toàn bộ hệ thống khiến người ta thán phục. Hoạt động của chúng vượt qua mọi sự mong đợi của mọi người. Đã không ai dám đảm bảo là chúng có thể hoạt động được vì thử thách đặt ra quá lớn. Sự thành công của cỗ máy chứng minh hiệu quả của Khoa học lớn (Big Science), như người ta gọi, đôi khi sẽ không có được nếu không mạo hiểm, nhất là khi khám phá những lĩnh vực tiên phong của khoa học hiện đại, bất kể đó là vật lý hạt hay vật lý thiên văn. Thật hạnh phúc khi được chứng kiến quá trình lao động vất vả và sự kiên trì của không biết bao nhiêu người trẻ tuổi có tài năng và kỹ năng được đền đáp một cách xứng đáng!

Những người không quen thuộc với vật lý hạt có thể khó hình dung được tầm quan trọng của sự kiện này và cách gọi hạt Higgs boson là “Hạt của chúa”, như trên một số phương tiện thông tin đại chúng, không thực sự giúp chúng ta hiểu vấn đề rõ hơn.

Chúng ta hãy bắt đầu với cái nhìn tổng quát về cách các nhà vật lý nhìn nhận thế giới. Họ nhìn nhận thế giới như thể được cấu tạo bởi các khối cơ sở mà họ gọi là các hạt cơ bản. Trong các khối cơ sở thì electron của một nguyên tử và các hạt quark trong proton và neutron tạo nên các hạt nhân nguyên tử là những khối phổ biến nhất. Mọi thứ trong Vũ trụ, các ngôi sao, các thiên hà và ngay cả chúng ta cũng đều được tạo bởi những hạt cơ bản này. Kích thước của chúng rất nhỏ so với kích thước của con người: cỡ một phần một tỉ micromét. Khi quan sát các vật với kích thước nhỏ như vậy, người ta thấy rằng chúng hành xử rất khác lạ, vừa như hạt và lại vừa như sóng: do đó người ta buộc phải từ bỏ cả hai khái niệm này và thay vào đó bằng một khái niệm mới: thế giới của vật lý lượng tử. Hằng số Plank, thường được viết là ħ, xác định giới hạn mà bắt đầu từ đó các hiệu ứng lượng tử không còn có thể bỏ qua được. Đối với những vật được tạo nên bởi các hạt cơ bản, như proton và neutron, tích số của khối lượng và kích thước của chúng luôn lớn hơn hoặc bằng ħ. Phát biểu này được gọi là nguyên lý bất định Heisenberg và nó xác định một giới hạn cho thế giới vật lý: Giới hạn Heisenberg.

Ngược lại, ở kích thước lớn hơn, chẳng hạn kích thước Vũ trụ, lực hấp dẫn hoàn toàn chiếm ưu thế, mặc dù với kích thước lượng tử thì nó hoàn toàn không đáng kể. Lực hấp dẫn được mô tả đầu tiên bởi Newton. Đó là lực tỉ lệ với một hằng số phổ quát, ký hiệu là G. Khi một ngôi sao suy sụp vào giai đoạn cuối cuộc đời bởi trọng trường, nếu đủ nặng, nó có thể đạt đến một trạng thái mà trọng lực trở nên mạnh đến nỗi không thứ gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra được. Khi đó nó trở thành một lỗ đen có bán kính gọi là Bán kính Schwarzschild (theo tên của một trong những nhà vật lý đầu tiên mô tả về trạng thái đó). Bán kính Schwarzschild tỉ lệ thuận với khối lượng của sao. Với Mặt trời, bán kính Schwarzschild bằng 3 km nhưng Mặt trời không đủ nặng để có thể đạt được kích thước nhỏ đến như vậy khi chết: do đó Mặt trời sẽ không bao giờ trở thành một lỗ đen. Đối với một vật thể có khối lượng xác định, sẽ là vô nghĩa khi nói về kích thước nhỏ hơn kích thước của lỗ đen tương ứng với khối lượng đó. Điều này xác định một giới hạn nữa của thế giới vật lý, đó là Giới hạn Schwarzschild. Giới hạn Heisenberg bằng tích số kích thước×khối lượng có kết quả là một hằng số (bằng ħ) còn Giới hạn Schwarzschild là tỉ số kích thước/khối lượng và cũng là một hằng số (bằng G).

Giao điểm của hai giới hạn Heisenberg và Schwarzschild tương ứng với kích thước ~10^–33 cm và khối lượng ~10¹⁹ lần khối lượng của proton. Nó được gọi là thang Plank (Plank scale). Tại đó, như hiện nay chúng ta biết, vật lý lượng tử và thuyết hấp dẫn không tương thích với nhau: để miêu tả các hiện tượng xảy ra tại kích thước này, chúng ta cần một lý thuyết mới mà trong đó cả vật lý lượng tử và thuyết hấp dẫn chỉ là những ước tính xấp xỉ đơn giản áp dụng riêng biệt trong các vùng chịu tác động của chúng. Đã vài thập kỷ qua, nhiều nhà vật lý lý thuyết đã bỏ nhiều thời gian và công sức để xây dựng lý thuyết mới như vậy. Thành phần chính của lý thuyết này là các dây có kích thước cỡ kích thước Plank; đã có nhiều tiến bộ thu được trong lĩnh vực này nhưng vẫn còn rất nhiều điều cần phải làm. Vụ nổ Big Bang cũng đã xảy ra tại quy mô cỡ kích thước Plank: những điều xảy ra tại kích thước Plank có thể là những bí ẩn chính của vật lý hiện đại và người ta hy vọng giải thích được bí ẩn này sẽ đồng thời giải quyết nhiều vấn đề khác có thể ít cơ bản hơn của vật lý.

Để thuận tiện ta biểu diễn chiều dài và khối lượng trong hệ đơn vị mà giá trị của chúng tính theo thang kích thước Plank. Và nếu, thêm vào đó, vận tốc được biểu diễn theo đơn vị vận tốc ánh sáng thì mọi đại lượng vật lý đều trở thành những con số thuần túy. Ta có thể minh họa điều này bằng một sơ đồ dưới dạng một cái nón lá: kích thước Plank là đỉnh nón, hai cạnh bên là Giới hạn Heisenberg và Giới hạn Schwarzschild. Với một vật có khối lượng m và kích thước l, trục giới hạn Heisenberg được biểu diễn là log(l/m) còn trục giới hạn Schwarzschild là ½log(lm). Trong sơ đồ này, những đường thẳng cùng mật độ song song với đáy của hình nón, và tạo thành góc 45^o với các giới hạn Heisenberg và Schwarzschild. Vũ trụ, hay chính xác hơn Vũ trụ nhìn thấy (visible Universe), nằm trên giới hạn Schwarzschild. Thực vậy, khi Vũ trụ giãn nở, các thiên hà cách càng xa chúng ta thì giãn nở càng nhanh. Chúng ta không thể nhìn thấy xa hơn khoảng cách tại đó vận tốc giãn nở bằng vận tốc ánh sáng, chúng ta gọi giới hạn đó là “chân trời” và khi đó nói đến “Vũ trụ” thực sự ta chỉ nói về phần Vũ trụ nhìn thấy được hay phần Vũ trụ nằm trong phạm vi chân trời. Những điểm nằm trên đường giới hạn Schwarzschild là các lỗ đen, Vũ trụ cũng nằm trên đường giới hạn Schwarzschild nhưng nó không phải là một lỗ đen vì một lỗ đen được bao quanh bởi không gian trống rỗng, tuy nhiên Vũ trụ nhìn thấy được lại được bao quanh bởi những thành phần giống như thành phần của nó có điều ta không nhìn thấy. Trong hệ đơn vị số thuần túy, khối lượng và kích thước của Vũ trụ bằng nhau và bằng 10⁶⁰ khối lượng và kích thước Planck. Do đó, mật độ của Vũ trụ, bằng khối lượng chia cho kích thước mũ ba, bằng 10^–120. Đó là mật độ tại đáy của hình nón.

Khối lượng của các ngôi sao và các đám khí chỉ chiếm khoảng 4% khối lượng của Vũ trụ và chúng ta vẫn hoàn toàn chưa hiểu được ba phần tư khối lượng của Vũ trụ gồm những gì. Đó là một bí ẩn lớn nữa của vật lý hiện đại. Chúng ta không biết nó là gì, và gọi là “năng lượng tối”. Năng lượng tối được mô tả bởi thuyết tương đối rộng bằng một số duy nhất, Λ, gọi là hằng số vũ trụ. Trong hệ thống đơn vị mà chúng ta đang làm việc, mật độ của năng lượng tối là Λ/8π, điều đó có nghĩa là hằng số vũ trụ có giá trị khoảng bằng 10^–120. Do đó, đáy của chiếc nón xác định giới hạn thứ ba của Vũ trụ. Người ta thấy trên giới hạn này, tại giao điểm với giới hạn Heisenberg, là sự tồn tại của hạt nhẹ nhất trong tất cả các hạt cơ bản được biết đến, hạt neutrino. Chúng ta chưa rõ liệu đây là một sự ngẫu nhiên hay có ý nghĩa sâu xa nào đó.

Vậy hạt Higgs boson nằm ở đâu trong bức tranh này?

Khi xem xét những chi tiết nhỏ hơn, chúng ta phát hiện ra những bí ẩn mới. Trong thế giới của lực hấp dẫn, vật chất tối và những điều xảy ra ngay sau Big Bang − sự giãn nở đột ngột của Vũ trụ − là những vấn đề thách thức nhất. Còn trong thế giới lượng tử, cơ chế tạo ra khối lượng là mối quan tâm hàng đầu. Những hạt cơ bản mà chúng ta biết đến có khối lượng cực kỳ nhỏ: hạt nặng nhất trong số chúng, hạt top quark, có khối lượng chỉ là ~10^–17 (so với khối lượng Plank, trong hệ đơn vị ta đang sử dụng). Do đó, người ta nghĩ rằng một thế giới với các hạt không có khối lượng là một hình dung gần đúng hợp lý của thế giới thực. Với giả thuyết như vậy, bức tranh về thế giới trở nên đẹp đẽ và đơn giản một cách đáng kinh ngạc và chỉ cần dựa vào một số rất ít nguyên lý cơ bản: đối xứng không−thời gian theo phép quay và phép tịnh tiến (nhóm Poincaré), những đối xứng trao đổi giữa các hạt đồng nhất (cũng có cấu trúc nhóm, SU(3) đối với tương tác mạnh và SU(2)×U(1) đối với tương tác điện yếu) và cái mà chúng ta gọi là bất biến gauge, nghĩa là các quy luật vật lý không phụ thuộc vào những pha cố hữu của vật lý lượng tử. Khả năng dự đoán của lý thuyết này thật đáng kinh ngạc: nó chỉ đòi hỏi sự tồn tại của photon, các hạt boson truyền tương tác yếu, các hạt gluon truyền tương tác mạnh. Lý thuyết này được xác định với độ chính xác tốt hơn 1% bởi hàng trăm thí nghiệm khác nhau,

Tuy nhiên, lý thuyết này không lý giải được khối lượng mặc dù nhỏ của các hạt cơ bản. Ngay khi đặt khối lượng đúng với khối lượng thực của chúng, mặc dù rất nhỏ, lý thuyết này sụp đổ: người ta phải thay đổi lý thuyết để có thể có các hạt cơ bản có khối lượng khác không. Cách đơn giản và tiết kiệm nhất là đưa vào một hạt mới có tính chất đặc biệt. Nó tương tác với tất cả các hạt khác với cường độ tương tác tỉ lệ thuận với khối lượng của các hạt. Hạt này được gọi là hạt Higgs boson và được đề cập tới từ năm 1964 bởi sáu nhà vật lý Robert Brout, François Englert, Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen, Peter Higgs và Thomas Kibble. Hạt Higgs có spin bằng 0 và do đó được gọi là hạt vô hướng, trong khi tất cả các hạt cơ bản khác có spin bằng 1 hoặc 1/2. Cái đẹp của nó đến từ thực tế là nó đem lại khối lượng cho các hạt cơ bản nhờ một sự không hoàn hảo nhỏ của đối xứng điện yếu SU(2)×U(1): phá vỡ một cách nhẹ nhàng đối xứng này (có thể quan sát được trong thực tế), và một cách tự nhiên tạo nên khối lượng của các hạt cơ bản. Ý tưởng chi phối cơ chế tự phát khối lượng này rất tổng quát và đẹp, người ta gọi nó là phá vỡ đối xứng tự phát và ngay lập tức nó được cộng đồng khoa học chấp nhận, coi đây chính là cơ chế khả dĩ nhất của Tự nhiên. Lý thuyết này dự đoán tương tác của hạt Higgs boson với các hạt cơ bản một cách chi tiết nhưng lại không dự đoán được chính xác khối lượng Higgs: đó chính là động lực thúc đẩy việc xây dựng LHC, có dải năng lượng phủ trên khoảng rộng để không bỏ lỡ cơ hội tìm thấy hạt Higgs nếu nó tồn tại.

Hạt được tìm thấy tại CERN khá khớp với mô hình này: hạt Higgs được tìm kiếm dựa trên tất cả các tính chất mà lý thuyết đã dự đoán về nó. Tuy nhiên, cần phải kiểm tra thêm để củng cố khám phá này và đảm bảo rằng hạt được phát hiện có đặc điểm hoạt động khớp một cách chính xác với dự đoán từ lý thuyết. Hơn nữa, cơ chế tạo ra khối lượng từ phá vỡ đối xứng tự phát của tương tác điện yếu là rất tổng quát và có thể xuất hiện dưới nhiều dạng thức khác nhau, phức tạp hơn so với hình dung về một loại hạt Higgs boson duy nhất. Ví dụ như một lý thuyết rất nổi tiếng hiện nay, trong đó đưa ra một dạng đối xứng mới của Tự nhiên (chưa được quan sát bằng thực nghiệm) là Thuyết Siêu đối xứng. Lý thuyết này đòi hỏi sự tồn tại của không phải một mà là năm hạt Higgs boson. Bốn hạt nữa có thể vẫn còn ẩn giấu tại vùng khối lượng lớn hơn, chờ đợi sự khám phá tiếp theo của LHC.

Triển vọng về những phát hiện mới trong vùng khám phá mới của vật lý hạt là phần thưởng xứng đáng đền đáp cho tất cả những người đã cống hiến cho công cuộc này trong nhiều thập kỷ qua. Chúng ta hãy chúc cho họ đạt được nhiều thành công hơn nữa!

        PHẠM NGỌC ĐIỆP dịch