Khám phá quan trọng: Lần đầu tiên quan sát được phân rã của hạt Higgs

Ngày 28/8/2018 vừa qua, các nhà khoa học làm việc tại dự án máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới LHC, tại Trung tâm Nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN – Geneva, Thụy Sỹ), đã thông báo về việc lần đầu tiên quan sát thấy sự phân rã của hạt Higgs thành một cặp hạt và phản hạt quark đáy (bottom quark). Điều ngạc nhiên là hạt Higgs chủ yếu phân rã theo cách này.

Thông tin này cho thấy một sự thống nhất cao giữa những dự đoán lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm, điều này củng cố một cách vững chắc cơ sở lý thuyết cho lý do tồn tại của hạt Higgs.

Hạt Higgs – “hạt của Chúa”

Những năm 1960, các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu mối quan hệ giữa lực điện từ yếu và lực hạt nhân yếu, thứ chịu trách nhiệm cho một số loại phân rã phóng xạ. Mặt dù 2 lực này có vẻ như tách biệt, nhưng cuối cùng người ta phát hiện rằng 2 cả lực này đều xuất phát từ một một lực chung và cơ bản hơn, mà hiện nay chúng ta gọi là lực điện yếu.

Vấn đề dễ nhìn thấy nhất của lý thuyết này là nó dự đoán tất cả các hạt có khối lượng bằng không. Ngay trong những năm 1960, các nhà vật lý đã biết rằng các hạt hạ nguyên tử có khối lượng, vì vậy đây là sơ hở nghiêm trọng của lý thuyết này.

Một số nhóm các nhà khoa học đã đề xuất một giải pháp cho vấn đề này: một trường vô hướng tràn ngập khắp vũ trụ từ “thuở hồng hoang” được gọi là trường Higgs. Các hạt hạ nguyên tử cơ bản (hạt dưới mức nguyên tử) tương tác với trường này, và tương tác này đã cho chúng khối lượng. Sự tồn tại của trường Higgs cũng ngụ ý sự tồn tại của một hạt hạ nguyên tử được gọi là hạt Higgs hay còn ngoại là boson Higgs. Mô hình các hạt cơ bản theo lý thuyết này được gọi là Mô hình Chuẩn (Standard Model).

Trong hình vẽ dưới đây, hạt Higgs (H) được tô màu xám mờ, trong khi các loại hạt khác có màu hồng, tím, xanh.

Góc trái phía trên là 6 loại quark, gồm: u (viết tắt chữ up – tức quark lên), c (charm – quark duyên), t (top – quark đỉnh), d (down – quark xuống), s (strange – quark lạ) và b (bottom – quark đáy). Chính các quark trong hình chữ nhật nhỏ, màu hồng này hợp thành proton và neutron.

Hình chữ nhật nhỏ, màu xanh ở góc trái phía dưới chỉ 6 loại hạt nhẹ gọi là lepton (hạt có spin 1/2): electron – e, muon – µ, tauon – τ, neutrino electron – ϖe, neutrino muon – ϖµ và neutrino tauon – ϖτ.

Các hạt quark và lepton được coi là những loại hạt vật chất. Hình chữ nhật nhỏ, màu tím phía bên phải chỉ 4 loại hạt lực hay còn gọi là hạt trường (hạt truyền tương tác): Z, γ: (photon), W và g (gluon).

Trên đây là 16 loại hạt mà đến đầu năm 2012, giới vật lý đã khám phá được và mô tả rất kỹ càng, chính xác. Còn lại duy nhất loại hạt cơ bản thứ 17, tức hạt Higgs – theo lý thuyết bắt buộc phải có để Mô hình Chuẩn không bị sụp đổ – thì cho tới đầu năm 2012 vẫn chưa ai “trông thấy” bóng dáng hạt Higgs!

Vì suốt mấy thập niên mà chẳng ai tìm thấy, nên có lúc người ta gọi Higgs là “hạt của Chúa” với hàm ý nó đầy bí ẩn. Nhiều nhà khoa học cho rằng đây chỉ là cách nói ví von của giới báo chí, văn chương, tuy hấp dẫn nhưng chẳng giúp ích gì cho độc giả thấu hiểu bản chất vật lý của loại hạt này.

>> Máy tính lượng tử là gì và vì sao nó có khả năng tính toán siêu đẳng?

Do gần nửa thế kỷ săn lùng mà chẳng tìm thấy nên ngày 4/7/2012, khi 2 phòng thí nghiệm lớn của CERN cùng lúc công bố kết quả khám phá một loại hạt cơ bản mới, có những thuộc tính tương tự Higgs, dư luận giới khoa học toàn cầu chấn động mạnh. Đến nỗi có người ví von CERN vừa cho nổ một quả bom tấn giữa thanh thiên bạch nhật.

Một năm sau, nhà vật lý người Anh Peter Higgs và nhà vật lý người Bỉ François Englert – 2 người đã tiên đoán về việc tồn tại của hạt Higgs – đã chia sẻ giải Nobel vật lý năm 2013.

Cuộc tìm kiếm các hạt quark đáy

Các hạt Higgs được tạo ra trong các va chạm năng lượng cao giữa các cặp hạt đã được gia tốc tới gần với tốc độ ánh sáng. Những hạt này không tồn tại lâu, chúng chỉ tồn tại ở mức 10^-22 giây. Một hạt với tuổi thọ như vậy, di chuyển với tốc độ ánh sáng, sẽ phân rã trước khi nó di chuyển đủ một khoảng cách có kích thước một nguyên tử. Do đó, không thể quan sát trực tiếp được hạt Higgs. Chỉ có thể quan sát được các sản phẩm phân rã của của chúng và sử dụng chúng để suy ra các đặc tính của các hạt mẹ.

Các hạt Higgs có khối lượng 12 giga electron vol (GeV) hoặc nặng bằng khoảng 133 lần một proton. Các tính toán từ lý thuyết được thực hiện trước đó dự đoán rằng hạt Higgs phân rã thành các cặp hạt theo tỷ lệ phần trăm như sau: quark đáy (58%), hạt W (21%), hạt Z (6%), các hạt lepton (2,6%) và các photon (0,2%). Còn lại một số cấu hình ngoại lai khác tạo ra phần còn lại.

Một trong những kết quả quan trọng của phát hiện lần này là khẳng định các dự đoán là chính xác cho hạt quark đáy.

Khi các nhà vật lý thông báo về việc phát hiện hạt Higgs năm 2012, họ dựa trên sự phân rã hạt Higgs thành hạt Z, hạt W và photon chứ không phải hạt quark đáy. Nguyên nhân là rất đơn giản: các phân rã đặc biệt này dễ xác định hơn nhiều.

Với các năng lượng va chạm có sẵn tại máy gia tốc LHC, xác suất được để tạo ra một hạt Higgs là 1 phần tỷ (1 tỷ va chạm mới có một va chạm sinh ra hạt Higgs). Số lượng va chạm lớn tại máy gia tốc LHC xảy ra qua sự tương tác của lực hạt nhân mạnh, là loại lực mạnh nhất của các lực hạ nguyên tử và có vai trò giữ các hạt nhân nguyên tử với nhau.

Vấn đề là trong các tương tác liên quan đến lực mạnh, việc tạo ra một cặp hạt-phản hạt của hạt quark đáy thực sự là khá phổ biến. Vì vậy, việc tạo ra các hạt quark đáy bởi sự phân rã của các hạt Higgs hoàn toàn bị tràn ngập bởi các cặp hạt quark được tạo ra bằng các tiến trình thông thường khác. Theo đó, về cơ bản là không thể xác định được các sự kiện mà trong đó sự phân rã các hạt Higgs tạo ra hạt quark đáy. Nó giống như việc cố gắng tìm một viên kim cương tự nhiên trong một thùng lớn đựng đầy các viên kim cương nhân tạo.

Bởi vì rất khó hoặc thậm chí không thể cách ly các va chạm mà trong đó các hạt Higgs phân hủy thành các hạt quark đáy, các nhà khoa học cần một cách tiếp cận khác. Các nhà nghiên cứu tìm kiếm một loại sự kiện khác – các va chạm mà ở đó các hạt Higgs được tạo ra đồng thời với các hạt W và Z. Các nhà nghiên cứu gọi loại va chạm này là “sản xuất kết hợp” (association production).

Các hạt W và Z có vai trò tạo ra lực hạt nhân yếu và chúng có thể phân rã theo những cách khác nhau và dễ nhận biết. Quá trình “sản xuất kết hợp” xuất hiện ít thường xuyên hơn các sự kiện không liên quan đến hạt Higgs, nhưng sự hiện diện của hạt W và Z giúp tăng cường đáng kể khả năng phát hiện ra các sự kiện có chứa hạt Higgs.

Kỹ thuật sản xuất kết hợp của hạt Higgs được ứng dùng đầu tiên ở Phòng thí nghiệm gia tốc quốc gia Fermi, nằm ở ngoại ô thành phố Chicago. Vì phòng thí nghiệm sử dụng máy gia tốc năng lượng thấp nên họ không có khả năng khẳng định đã tìm ra hạt Higgs, nhưng tri thức của phòng thí nghiệm đã góp vai trò quan trọng vào thành công này.

Máy gia tốc LHC có hai máy dò hạt vật lý lớn có khả năng quan sát các hạt Higgs – là Compact Muon Solenoid (CMS) và A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS). Cả 2 phòng thí nghiệm đã phối hợp đồng thời tuyên bố về quá trình sản xuất kết hợp của các hạt Higgs, với sự phân rã cụ thể của hạt Higgs thành một cặp quark đáy hạt và phản hạt.

>> Máy tính lượng tử là gì và vì sao nó có khả năng tính toán siêu đẳng?

Một lý thuyết quan trọng

Quá trình phát hiện ra hạt Higgs theo cách quan sát khá đơn giản là tiến bộ đáng kể trong qua khoa học, nhưng nó còn có một kết quả quan trọng hơn.

Nó chỉ ra rằng trường Higgs, được nói đến vào năm 1964 không chỉ được thúc đẩy bởi một lý thuyết nền tảng. Nó đã được đưa vào Mô hình Chuẩn, trong đó mô tả hành vi của các hạt hạ nguyên tử. (Trước khi trường Higgs được đề xuất, Mô hình Chuẩn đã dự đoán rằng các hạt không có khối lượng. Sau khi trường Higgs được đưa vào như là một bổ sung đặc biệt cho Mô hình Chuẩn, các hạt giờ đây đã có khối lượng). Vì vậy, rất cần khám phá những dự đoán về xác suất phân rã để tìm kiếm các gợi ý liên kết đến lý thuyết cơ bản. Và gần đây đã có nhiều lý thuyết toàn diện hơn được phát triển từ những năm 1960, dự đoán rằng có thể sẽ có hơn một loại hạt Higgs tồn tại.

Vì vậy, rất cần hiểu được tốc độ mà hạt Higgs phân ra thành các hạt khác và so sánh với tốc độ phân rã đã được dự đoán. Cách dễ nhất để minh họa sự thống nhất là báo cáo về tốc độ phân rã được quan sát, chia cho tốc độ dự đoán. Sự thống nhất tốt nhất giữa 2 tốc độ sẽ cho giá trị gần bằng 1.

Thí nghiệm của CMS tìm thấy sự thống nhất tuyệt vời trong báo cáo gần đây, với tỉ lệ giữa dự đoán và quan sát thực tế là 1,04 ± 0,2 và kết quả đo đạc của ATLAS là rất tương tự (1,01 ± 0,2). Sự thống nhất ấn tượng này là một chiến thắng của lý thuyết hiện tại, mặc dù nó không chỉ ra được một phương hướng để hướng tới một nguồn gốc cơ bản hơn cho các hiện tượng của hạt Higgs.