Đã 10 năm kể từ khi phát hiện hạt Higgs - đây là cách nó có thể mở khoá thực tế của chúng ta

Mười năm trước, các nhà khoa học công bố phát hiện của hạt Higgs, giúp giải thích tại sao các hạt nguyên tử (những khối xây dựng nhỏ nhất của tự nhiên) có khối lượng. Đối với nhà vật lý hạt, đây là kết thúc của một hành trình khó khăn kéo dài nhiều thập kỷ - và có thể là kết quả quan trọng nhất trong lịch sử lĩnh vực này. Nhưng sự kết thúc này cũng đánh dấu sự bắt đầu của một thời đại mới của vật lý thực nghiệm.

Trong thập kỷ qua, các đo đạc về tính chất của hạt Higgs đã xác nhận dự đoán của mô hình tiêu chuẩn về vật lý hạt (lý thuyết tốt nhất của chúng ta về các hạt). Nhưng nó cũng đặt ra những câu hỏi về giới hạn của mô hình này, như là có một lý thuyết về tự nhiên cơ bản hơn hay không.

Nhà vật lý Peter Higgs dự đoán hạt Higgs trong một loạt bài báo từ năm 1964 đến 1966, như một hậu quả không thể tránh khỏi cơ chế có trách nhiệm tạo ra khối lượng cho các hạt nguyên tử. Lý thuyết này cho rằng khối lượng của các hạt là hậu quả của sự tương tác của chúng với một trường, được đặt tên là trường Higgs. Và theo cùng một mô hình, trường như vậy cũng nên tạo ra một hạt Higgs - có nghĩa là nếu hạt Higgs không tồn tại, điều này cuối cùng sẽ làm giả lập toàn bộ lý thuyết.

Nhưng sớm trở nên rõ ràng rằng việc phát hiện hạt này sẽ là một thách thức. Khi ba nhà vật lý lý thuyết tính toán các tính chất của một hạt Higgs, họ kết luận với lời xin lỗi. 'Chúng tôi xin lỗi các nhà thực nghiệm vì không biết khối lượng của hạt Higgs là bao nhiêu ... và vì không chắc chắn về sự kết nối của nó với các hạt khác... Vì những lý do này, chúng tôi không muốn khuyến khích tìm kiếm thử nghiệm lớn cho hạt Higgs.'

Phải đến năm 1989, thí nghiệm đầu tiên có cơ hội lớn để phát hiện hạt Higgs bắt đầu tìm kiếm. Ý tưởng là va chạm các hạt với năng lượng cao đến mức có thể tạo ra một hạt Higgs trong một đường hầm dài 27km tại Cern ở Geneva, Thụy Sĩ - đó là máy kết hợp electron-positron lớn nhất từng được xây dựng. Nó hoạt động trong 11 năm, nhưng năng lượng tối đa của nó cuối cùng chỉ thấp 5% để tạo ra hạt Higgs.

Trong khi đó, máy kết hợp nguyên tử mạnh mẽ nhất trong lịch sử Hoa Kỳ, Tevatron, đã bắt đầu thu thập dữ liệu tại Fermilab, gần Chicago. Tevatron va chạm proton (cùng với neutron tạo thành hạt nhân nguyên tử) và antiproton (gần như giống proton nhưng có điện tích ngược) với năng lượng cao hơn năm lần so với Geneva - chắc chắn đủ để tạo ra Higgs. Nhưng va chạm proton-antiproton tạo ra nhiều mảnh vụn, làm cho việc rút trích tín hiệu từ dữ liệu trở nên khó khăn hơn. Năm 2011, Tevatron ngừng hoạt động - Higgs boson một lần nữa thoát khỏi sự phát hiện.

Năm 2010, Large Hadron Collider (LHC) bắt đầu va chạm proton với bảy lần năng lượng so với Tevatron. Cuối cùng, vào ngày 4 tháng 7 năm 2012, hai thí nghiệm độc lập tại Cern đã thu thập đủ dữ liệu để tuyên bố phát hiện hạt Higgs. Trong năm sau, Higgs và đồng nghiệp François Englert đã đoạt giải Nobel 'cho phát hiện lý thuyết về một cơ chế đóng góp vào sự hiểu biết của chúng ta về nguồn gốc khối lượng của các hạt tế bào vi tiểu phân'.

Điều này gần như không mô tả đúng. Thiếu hạt Higgs, toàn bộ khung lý thuyết mô tả vật lý hạt ở các quy mô nhỏ nhất sẽ phá vỡ. Các hạt nguyên tử sẽ trở nên không khối, không có nguyên tử, không có con người, không có hệ thống mặt trời, và không có cấu trúc nào trong vũ trụ.

Rắc rối đang chờ đợi phía trước

Tuy nhiên, phát hiện này đã đặt ra những câu hỏi mới, cơ bản. Các thí nghiệm tại Cern đã tiếp tục khám phá hạt Higgs. Tính chất của nó không chỉ xác định khối lượng của các hạt nguyên tử, mà còn xác định tính ổn định của chúng. Hiện tại, kết quả cho thấy rằng vũ trụ của chúng ta không ở trong một trạng thái hoàn toàn ổn định. Thay vào đó, tương tự như băng ở điểm nóng chảy, vũ trụ có thể đột ngột trải qua một “chuyển pha” nhanh chóng. Nhưng thay vì chuyển từ chất rắn sang lỏng, giống như băng chuyển từ băng sang nước, điều này sẽ liên quan đến việc thay đổi quan trọng khối lượng - và luật lý của tự nhiên trong vũ trụ.

Thực tế là vũ trụ vẫn ổn định mặc dù có vẻ như có điều gì đó đang thiếu trong các phép tính - điều chúng ta vẫn chưa khám phá được.

Sau một đợt nghỉ ba năm để bảo dưỡng và nâng cấp, va chạm tại LHC sắp được tiếp tục ở một năng lượng chưa từng có, gần gấp đôi so với năng lượng được sử dụng để phát hiện hạt Higgs. Điều này có thể giúp tìm ra các hạt bị thiếu, làm dịch chuyển vũ trụ của chúng ta khỏi ranh giới rõ ràng giữa sự ổn định và việc chuyển pha mạnh mẽ.

Thí nghiệm có thể giúp trả lời những câu hỏi khác. Liệu tính chất độc đáo của hạt Higgs có thể làm nó thành cổng để khám phá vật chất tối, chất liệu vô hình tạo thành phần lớn của vật chất trong vũ trụ? Chất tối không mang điện. Và hạt Higgs tương tác một cách độc đáo với vật chất không mang điện.

Những tính chất độc đáo tương tự đã khiến các nhà vật lý đặt câu hỏi liệu hạt Higgs có thể không phải là một hạt cơ bản sau tất cả. Liệu có thể có một lực lượng mới, không biết đến nằm ngoài các lực lượng tự nhiên khác - trọng lực, điện từ và lực hạt nhân yếu và mạnh? Có thể một lực lượng kết hợp các hạt chưa biết thành một đối tượng hợp thành chúng ta gọi là hạt Higgs không?

Những lý thuyết như vậy có thể giúp giải quyết các kết quả gần đây gây tranh cãi chỉ ra rằng một số hạt không hoạt động đúng cách theo như mô hình tiêu chuẩn đề xuất. Vì vậy, nghiên cứu về hạt Higgs là quan trọng để xác định xem có vật lý cần được khám phá ngoài mô hình tiêu chuẩn hay không.

Cuối cùng, LHC sẽ gặp vấn đề giống như Tevatron đã gặp phải. Va chạm proton là một việc lộn xộn và năng lượng của chúng chỉ có thể đạt được mức nào đó. Mặc dù chúng ta có đầy đủ vũ khí của vật lý hạt hiện đại - bao gồm các cảm biến tinh vi, phương pháp phát hiện tiên tiến và học máy - nhưng vẫn có một giới hạn về những gì LHC có thể đạt được.

Một máy kết hợp năng lượng cao trong tương lai, được thiết kế đặc biệt để tạo ra hạt Higgs, sẽ cho phép chúng ta đo lường chính xác những tính chất quan trọng nhất của nó, bao gồm cách hạt Higgs tương tác với các hạt Higgs khác. Điều này từ đó sẽ xác định cách hạt Higgs tương tác với trường của nó. Nghiên cứu về tương tác này có thể giúp chúng ta khám phá quá trình cơ bản tạo ra khối lượng cho các hạt. Mọi sự không đồng ý giữa dự đoán lý thuyết và một đo lường tương lai sẽ là một dấu hiệu rõ ràng rằng chúng ta cần phải phát minh vật lý hoàn toàn mới.

Bài viết này của Martin Bauer, Giáo sư Khoa học Vật lý, Đại học Durham, và Stephen Jones, Giáo sư Trợ giảng Khoa học Vật lý, Đại học Durham được tái xuất bản từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.