Buzz
Vật lý là lĩnh vực nghiên cứu khám phá các định luật cơ bản và cấu trúc tự nhiên, cố gắng mô tả và giải thích vũ trụ mà chúng ta sống thông qua ngôn ngữ toán học.
Các nhà vật lý không ngừng đưa ra những lý thuyết và thí nghiệm mới để kiểm chứng hoặc thay đổi những lý thuyết và thí nghiệm cũ, từ đó nâng cao sâu sắc và hoàn thiện hơn hiểu biết về tự nhiên.
Trong lịch sử phát triển của vật lý, đã có những khám phá và đột phá lớn, thay đổi cách nhìn và hiểu biết của chúng ta về vũ trụ, đồng thời có ảnh hưởng mạnh mẽ đến tiến bộ công nghệ và sự phát triển xã hội.
Ví dụ như định luật hấp dẫn của Newton, thuyết tương đối của Einstein, mô hình nguyên tử của Bohr, điện động lực học lượng tử của Feynman, và nhiều khám phá và đột phá khác. Trong số những khám phá này có một hạt đặc biệt và bí ẩn được gọi là 'Hạt của Thượng Đế', hay chính xác hơn là Boson Higgs.
Nhưng hạt này là gì? Làm thế nào chúng ta đã phát hiện ra nó? Và nó ảnh hưởng như thế nào đến vật lý và con người?
Ngày càng nhiều nhà khoa học quan tâm đến việc tìm kiếm 'Hạt của Thượng Đế' trong vật lý, giúp lý giải những nguyên lý cơ bản của vũ trụ. Ảnh: ZME
Hạt của Thượng Đế là gì?
Hạt của Thượng Đế là hạt cơ bản tương tác với trường Higgs, tạo ra khối lượng cho các hạt khác. Như vậy, hạt cơ bản là gì? Hạt cơ bản là đơn vị nhỏ nhất cấu tạo nên vật chất, không thể phân chia và không thể tạo ra từ các hạt khác.
Có hai loại hạt cơ bản đã được biết đến: fermion và boson. Fermion là các hạt có spin nửa nguyên tử, tuân theo định luật thống kê Fermi-Dirac, chúng có tính đẩy và không thể chiếm cùng một trạng thái lượng tử trong cùng một thời điểm. Fermion bao gồm các quark và lepton (như proton, neutron, electron, v.v.) tạo nên hạt nhân và vỏ nguyên tử, cùng với gluon truyền lực tương tác mạnh.
Boson là các hạt có spin nguyên tử, tuân theo định luật thống kê Bose-Einstein, được tập hợp lại và có thể chiếm cùng một trạng thái lượng tử tại cùng một thời điểm. Boson bao gồm photon (truyền lực điện từ), lực yếu và lực hấp dẫn, boson W và Z, và graviton (chưa được khám phá); cùng với boson Higgs, tương tác với trường Higgs.
Nhiều nhà khoa học trong quá khứ đã cho rằng Boson Higgs là một hạt hoặc một tập hợp các hạt, chúng tạo ra cơ sở cơ bản cho khối lượng. Ảnh Zhihu
Vậy trường Higgs là gì? Trường Higgs là một trường bao phủ toàn bộ vũ trụ, có thể hiểu là một môi trường nhớt, vô hình, khiến các hạt khác nhau chịu các mức độ cản khác nhau, từ đó có được các khối lượng khác nhau.
Nếu không có trường Higgs, mọi hạt sẽ không có khối lượng như photon, không thể hình thành nguyên tử, phân tử và vật chất. Do đó, Boson Higgs được gọi là 'Hạt của Thượng Đế' và nó quyết định vận mệnh của toàn bộ vũ trụ.
Boson Higgs được lý thuyết vào năm 1964 bởi Peter Higgs và các nhà khoa học khác, những người đã cố gắng giải thích tại sao boson W và Z, các hạt mang lực hạt nhân yếu, có khối lượng trong khi photon, mang lực điện từ, không có khối lượng. Họ đề xuất cơ chế Higgs, một cơ chế sử dụng sự phá vỡ đối xứng tự nhiên để trao cho các hạt cơ bản khối lượng mà không vi phạm lý thuyết chuẩn.
Giả thuyết từ những năm 1960 cho rằng Hạt Higgs là nguồn gốc của khối lượng cho các hạt cơ bản. Hạt Higgs được tạo ra từ trường lượng tử giả thiết phổ biến, còn được biết đến như trường Higgs có khả năng cung cấp động lượng cần thiết để các hạt có được khối lượng của chúng. Ảnh: Zhihu
Làm thế nào để phát hiện Boson Higgs?
Boson Higgs là một loại hạt khó quan sát vì nó yêu cầu năng lượng rất cao để tạo ra và phân rã nhanh thành các hạt khác. Các nhà khoa học đã mất hàng thập kỷ để tìm kiếm dấu vết của nó. Đến năm 2012, tại Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN, các nhà khoa học đã quan sát được một boson mới, có khối lượng và tính chất tương tự như 'Hạt của Chúa'.
Ngày 14 tháng 3 năm 2013, CERN chính thức công bố việc phát hiện Boson Higgs và chứng minh sự tồn tại của trường Higgs.
Máy va chạm Hadron châu Âu hiện là máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới, nằm ở biên giới của Thụy Sĩ và Pháp, có chu vi 27 km và có thể tạo ra các mảnh hạt năng lượng cao. Bằng cách phân tích những mảnh hạt này, các nhà vật lý có thể khám phá tính chất và tương tác của các hạt cơ bản, cũng như những gì đã xảy ra với vũ trụ sau Vụ nổ lớn. Ảnh: NBC
Để khám phá Boson Higgs, các nhà khoa học cần tiến hành hàng triệu thí nghiệm va chạm tại Máy Va chạm Hadron Lớn và sử dụng các phương pháp phân tích dữ liệu phức tạp để lọc ra các sự kiện có thể chứa tín hiệu Boson Higgs. Đây là công việc vô cùng khó khăn và tốn thời gian, đòi hỏi sự hợp tác, nỗ lực của hàng ngàn nhà khoa học và kỹ sư trên toàn cầu.
Phát hiện Hạt của Chúa là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực vật lý, không chỉ xác minh Mô hình Chuẩn, lý thuyết hoàn hảo nhất về các hạt cơ bản, mà còn tiết lộ một trong những bí ẩn sâu nhất của tự nhiên: cách tạo ra khối lượng.
Mô hình Chuẩn là một hệ thống toán học mô tả các hạt cơ bản và tương tác giữa chúng (trừ lực hấp dẫn). Mô hình này có khả năng giải thích hầu hết các hiện tượng vật lý đã biết và dự đoán nhiều hiện tượng mới.
Mô hình Chuẩn bao gồm 12 loại fermion, 4 loại boson chuẩn, 1 loại Boson Higgs và các phản hạt tương ứng, tổng cộng có 28 loại hạt cơ bản. Trong Mô hình Chuẩn, Hạt Higgs là hạt duy nhất chưa được quan sát thực nghiệm, do đó nó là mảnh ghép cuối cùng của Mô hình Chuẩn và là mảnh ghép khó tìm nhất.
Phát hiện boson Higgs đồng nghĩa với việc Mô hình Chuẩn đã được thực nghiệm hóa hoàn toàn, cũng như hiểu biết của chúng ta về các hạt cơ bản đã đạt đến một cấp độ mới.
Ngoài việc ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực vật lý, phát hiện Hạt của Chúa còn mang ý nghĩa sâu sắc với xã hội loài người. Để khám phá Hạt của Chúa, các nhà vật lý đã phát triển nhiều công cụ và thiết bị tiên tiến, như Máy Va chạm Hadron Lớn, máy dò, máy tính, mạng, v.v. Những công cụ và thiết bị này không chỉ được sử dụng trong nghiên cứu cơ bản mà còn trong các lĩnh vực khác như y học, kỹ thuật, giáo dục, v.v.
