Giải Nobel Vật lý 2013: Xin chào bạn, hạt của Chúa

Tiếp tục một thói quen xấu từ vài năm trước, tác giả lại viết về giải Nobel Vật lý vừa được trao, hòng giúp cho bạn đọc phổ thông hình dung ra các kiến thức ẩn chứa đằng sau. 

* Giải Nobel Vật lý 2011 

* Giải Nobel Vật lý 2012 

Nếu có bạn nào đọc note về các loại lực tương tác ở blog này từ trước (nó đây) thì hẳn còn nhớ toàn bộ vũ trụ tác động lên nhau thông qua 4 lực: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực mạnh và lực yếu. Nếu bạn bị quả tạ rơi vào chân, đó là do lực hấp dẫn. Nếu bạn mặc áo len mùa đông bị nổ lách tách, đó là do lực điện từ. Hai lực mạnh và yếu, nhìn chung không thể quan sát bằng mắt thường.

Tầm những năm 1950, có vài nhà khoa học thấy rằng bốn lực là quá nhiều cho một thế giới hoàn hảo. Họ nghĩ kế để giảm bớt số lượng của chúng, nói nôm na là ghép các lực lại với nhau. Đầu tiên họ ghép được lực điện từ và lực yếu lại, thành lý thuyết lực điện-yếu. Sau đó người ta lại ghép thêm được lực mạnh vào tập này. Lẽ ra có thể gọi là lý thuyết lực điện-mạnh-yếu, nhưng như thế dài quá, nên bèn gọi là Lý thuyết Chuẩn, hoặc Mô hình Chuẩn.

Đã gọi là Lý thuyết Chuẩn, lẽ ra không cần chỉnh mới phải. Thế nhưng người ta vẫn phải chỉnh tới chỉnh lui liên tục, mỗi lần một ít. Đến nay theo thuyết này, các nguyên tử của mọi nguyên tố hóa học được cấu trúc từ 3 họ hạt gồm 36 hạt thuộc họ quark, 12 hạt họ lepton, và 12 hạt họ boson (không kể hạt mới tìm được).

Từ năm 1964, Peter Higgs nhận ra rằng các hạt trên không đủ tạo thành khối lượng cho vật chất. Ví dụ như photon, hạt mang ánh sáng mà nhờ đó bạn có thể đọc được bài viết này, là một boson không có khối lượng. Vậy nên nó chạy nhanh như ... điện, với tốc độ 300K km/s. Nhưng để tạo thành các vật chất có khối lượng, ví dụ như tác giả và độc giả chẳng hạn, thì phải bổ sung thêm một hạt nữa vào mô hình. Người ta lấy luôn tên ông để đặt cho nó, hạt boson Higgs (boson thứ 13!). Mô tả ngắn gọn, các hạt có khối lượng dường như "kéo lê" bên mình một số hạt Higgs, như thể bạn xách các bao cát. Càng nhiều bao cát thì bạn càng nặng cân và đi càng chậm. Nếu không có bao cát nào, nói chung đám đông sẽ không nhận ra bạn (có ít tương tác với môi trường), song nếu kéo lê theo vài bao cát, đám đông có xu hướng quan tâm hỏi han (tương tác nhiều hơn).

Từ đó đến nay, người ta áp dụng Lý thuyết Chuẩn để giải đáp rất nhiều vấn đề của Vật lý hiện đại, song về mặt thực nghiệm, các nhà vật lý vẫn chưa thể chỉ mặt điểm tên được boson Higgs. Xét về mặt nào đó, nó giống như bổ đề cơ bản mà GS Ngô Bảo Châu chứng minh vài năm về trước – ai cũng nghĩ nó phải ở đó, song chưa ai tìm thấy hoặc chứng minh rành mạch được.

Vì mang khối lượng, nên boson Higgs phân rã hầu như tức thời, khiến việc tìm kiếm bằng chứng về sự tồn tại chỉ có thể làm được khi gia tốc các hạt lên mức năng lượng rất cao. Sau khi xây dựng nên Máy gia tốc hạt lớn (Large Hadron Collider, gọi tắt là LHC), người ta nghĩ ngay đến việc dùng nó để tìm kiếm hạt Higgs. Lý thuyết cho rằng, hạt Higgs tồn tại ở mức khoảng 1.4 TeV (tera electron-volt, đơn vị đo năng lượng của hạt). Vậy nên, với LHC có khả năng gia tốc hạt lên mức 7-8 TeV, việc tìm ra hạt Higgs hoàn toàn khả thi.

Thực tế thì, người ta tìm ra hạt này ở mức năng lượng khoảng 1/10 so với dự báo, tầm 0.13 TeV. Bắt đầu từ khoảng 2010 cho đến 2012, nhiều thí nghiệm được tiến hành ở các mức khác nhau trên máy LHC. Đến giữa 2012, hai nhóm làm việc độc lập cùng công bố kết quả tìm thấy một hạt mới, trước giờ chưa biết đến, ở mức 0.126 TeV. Đến tháng 3/2013, sau nhiều cuộc kiểm tra và tính toán, Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu CERN chính thức thừa nhận hạt tìm được là boson Higgs, khép lại công cuộc nghiên cứu có thể nói là khó khăn nhất trong lịch sử vật lý thực nghiệm.

Tên gọi "hạt của Chúa" bị đặt theo cuốn tiểu thuyết viễn tưởng The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? Do tính chất "câu view", báo chí (và cả tác giả blog này!) ra sức đưa nó lên tựa bài, dù bản thân các nhà khoa học thì kịch liệt phản đối, kể cả Higgs. Không có lý do gì cho thấy boson này đặc biệt hơn các hạt còn lại, có chăng chỉ là tính bền vững kém hơn. Mặt khác, giải Nobel Vật lý 2013 lại trái ngược hoàn toàn với giải Field lần trước - trao cho GS Châu, người đã chứng minh bổ đề cơ bản, trong khi Higgs chỉ là người tiên đoán sự tồn tại. Ủy ban trao giải Nobel lẽ ra có thể cùng lúc vinh danh CERN, là người thực sự chứng minh hạt đó có thật.

Cuối cùng, tác giả muốn chúc mừng Peter Higgs về lòng kiên trì. Sinh năm 1929, tiên đoán sự tồn tại của boson Higgs từ khi 35 tuổi, và phải chờ mất 49 năm để người ta xác nhận dự đoán của mình. Cứ như tác giả bài viết này thì không làm khoa học được, đánh xong con đề buổi chiều là sốt ruột lắm, không thể chờ đến 6h tối để xem nó về số nào!

Dựa theo các thông tin từ web sites cnn.com, awesomestories.com, wikipedia.org và các sites khác. Review và hiệu đính: oaht uv.