Quote from Trần Văn Khiêm on 05/10/2021, 14:54

 

Nếu thực nghiệm là “thước đo chân lý” của một lý thuyết vật lý thì những thí nghiệm gần đây nhất tại CERN (Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Âu châu) đã thách thức sự sống còn của Mô Hình Tiêu Chuẩn – lý thuyết hiện đại về các hạt cơ bản : Kết quả đo lường hướng phân huỷ của hạt Z, một trong các hạt truyền lực hạt nhân yếu, nhằm tiên đoán khối lượng của Higgs boson – hạt truyền khối lượng cho các hạt cơ bản khác thông qua tương tác – cho thấy Mô Hình Tiêu Chuẩn không còn đúng nữa, và điều này ngụ ý với một xác suất lớn rằng một lý thuyết vật lý mới tiếp sau Mô Hình Tiêu Chuẩn đang chờ đợi được khám phá. Đó là tin của tạp chí University Science News ngày 29-01-2002, dựa trên công trình nghiên cứu của Micheal Chanowitz, nhà vật lý lý thuyết thuộc Phân Ban Vật Lý Viện Nghiên Cứu Quốc Gia Lawrence Berkley, Mỹ, vừa công bố trên Physical Review Letters, tạp chí vật lý uy tín nhất hiện nay.

Mô Hình Tiêu Chuẩn (MHTC-Standard Model), là một hệ thống lý thuyết bắt đầu được  xây dựng từ năm 1978 và kéo dài cho đến tận ngày nay nhằm tổng kết và hệ thống hoá toàn bộ hiểu biết của loài người về các hạt và các lực cơ bản trong tự nhiên, chưa kể lực hấp dẫn. Theo lý thuyết này, các hạt nhỏ nhất trong tự nhiên gồm hai loại chủ yếu: fermions-hạt cấu tạo nên vật chất, và bosons-hạt truyền lực hoặc năng lượng cho các hạt khác thông qua tương tác.

Fermions được chia thành 3 họ tuỳ theo khối lượng của chúng. Họ I gồm các fermions nhẹ nhất: up-quarks, down-quarks, electrons, electron-neutrinos và các phản hạt tương ứng. Các fermions này tạo nên vật chất thông thường xung quanh ta: up-quarks và down-quarks kết hợp với nhau theo từng bộ ba để tạo thành protons và neutrons, rồi protons và neutrons lại kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nguyên tử, electrons kết hợp với hạt nhân để tạo thành nguyên tử và phân tử. Họ II gồm charm-quarks, strange-quarks, muons và muon-neutrinos và các phản hạt tương ứng. Họ III gồm top-quarks, bottom-quarks, taus, tau-neutrinos và các phản hạt tương ứng. Các fermions thuộc họ II và họ III không có trong vật chất thông thường mà chỉ xuất hiện cực kỳ hiếm hoi trong vũ trụ hoặc trong các máy gia tốc.

Trong MHTC hiện nay liệt lê 4 loại bosons: photons (hạt ánh sáng) là hạt truyền lực điện từ, W và Z là các hạt truyền lực hạt nhân yếu (lực chịu trách nhiệm khi một hạt nhân nguyên tử phân huỷ và giải phóng một electron và một neutrino), gluons là hạt truyền lực hạt nhân mạnh (lực giữ các quarks lại với nhau trong protons và neutrons, và giữ protons và neutrons lại với nhau trong hạt nhân), và Higgs là hạt truyền khối lượng, do Peter Higgs thuộc đại học Edinburgh, Anh, nêu lên lần đầu tiên trong Lý thuyết về các trường Higgs

Trong suốt một thời gian dài thử thách, MHTC luôn luôn tỏ ra là một lý thuyết đầy sức thuyết phục, vì nó không chỉ mô tả đầy đủ các hiện tượng đã biết trong trường lượng tử mà còn cho phép tiên đoán chính xác hàng loạt hiện tượng chưa biết trong thế giới các hạt cơ bản. Thắng lợi vang dội nhất gần đây là việc tiên đoán khối lượng của top-quarks đã được thực nghiệm xác nhận năm 1994. Từ đó đến nay các công trình nghiên cứu nhằm hoàn thiện MHTC đều tập trung vào Higgs bosons. Tại sao các nhà vật lý lại chạy đua để nghiên cứu hạt Higgs ? Đó là câu hỏi trên trang Web của CERN, phản ánh tình hình thực tế diễn ra trên thế giới hiện nay.

Quả thật, Higgs bosons trở thành quan trọng đến nỗi Leon Lederman, nhà vật lý đoạt giải Nobel năm 1988, đã gọi đó là “Hạt của Chúa”. Trong cuốn “Hạt của Chúa” xuất bản năm 1993, Lederman thuyết phục chính Phủ Mỹ cấp 10 tỷ USD để chế tạo một chiếc máy gia tốc đủ mạnh để tìm kiếm “Hạt của Chúa”: “Hãy giao cho chúng tôi 10 tỷ dollars và các nhà vật lý sẽ giao nộp Chúa cho các ông!”. Điều này nói lên rằng Higgs bosons là nguyên nhân của cái ban đầu: chúng đóng vai trò quyết định làm “tan vỡ siêu lực” vào lúc khởi thuỷ của vũ trụ. Thật vậy, nhiều lý thuyết vật lý ngày nay kể cả Lý thuyết Big Bang đều cho rằng lúc ban đầu vũ trụ chỉ có một lực duy nhất là “siêu lực” (superforce), để rồi sau đó “siêu lực” tách ra thành các lực khác như ta thấy ngày nay.

“Siêu lực” là một khái niệm hiện đại nhưng thực chất bắt nguồn từ tư tưởng thống nhất vật lý do Albert Einstein khởi xướng vào những năm 1920 trong một lý thuyết mang tên Lý thuyết trường thống nhất (Theory of Unified Field-TUF), trong đó lực hấp dẫn và lực điện từ được coi thực chất chỉ là “hai mặt của một đồng xu”. Trong suốt 30 năm cuối đời, Einstein đã cống hiến toàn bộ sức lực cho lý thuyết này nhưng không thành công, để lại cho nhân loại “Bản giao hưởng bỏ dở” (Unfinished Symphony), như cách nói của Madeleine Nash trên tờ TIMES ngày 31-12-1999. Nhưng nếu “Bản giao hưởng bỏ dở” của Franz Schubert không thể viết tiếp được thì “Bản giao hưởng bỏ dở” của Einstein đã được hậu thế tiếp tục phát triển với mục tiêu cuối cùng là tìm ra bản chất thống nhất của 4 loại lực tồn tại trong tự nhiên: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh, lực hạt nhân yếu. Tư tưởng này lần đầu tiên đạt được thắng lợi vang dội vào năm 1967 khi Steven Weinberg, Sheldon Glashow và Abdus Salam đồng thời chứng minh được bằng toán học rằng lực điện từ và lực hạt nhân yếu có cùng bản chất của một lực duy nhất gọi là lực điện-từ-yếu (electroweak force). Năm 1983-84, các nhà vật lý tại CERN đã khám phá ra các hạt W và Z đúng như lý thuyết điện-từ-yếu dự đoán, do đó ba tác giả của lý thuyết này đã đoạt giải Nobel vật lý năm 1979. Đó là những năm tháng rực rỡ và vĩ đại của tư tưởng thống nhất vật lý, trong đó các nhà khoa học cảm thấy được khích lệ mạnh mẽ để đi những  bước tiếp theo: tìm cách hợp nhất lực điện-từ-yếu với lực hạt nhân mạnh trong một khuôn khổ được gọi là Lý thuyết thống nhất lớn (Grand Unified Theory-GUT). Tuy nhiên, theo Steven Weinberg, nhiều khó khăn đã nẩy sinh cho thấy GUT khó có thể thành công nếu không gộp luôn cả lực hấp dẫn vào trong đó. Vì thế, tham vọng của nhiều nhà khoa học ngày nay đã được đẩy xa tới mức đi tìm một lý thuyết không những hợp nhất tất cả các lực, mà hợp nhất luôn cả tất cả các hạt: “tất cả là một, một là tất cả”!. Một lý thuyết như thế nếu tồn tại sẽ xứng đáng để được gọi là “Lý thuyết về mọi thứ” (Theory Of Everything-TOE), còn Steven Weinberg thì gọi đó là “lý thuyết cuối cùng” (the final theory), vì quả thật với lý thuyết đó những câu hỏi thắc mắc của loài người từ ngàn xưa về nguồn gốc của vũ trụ và của chính loài người sẽ bắt đầu được sáng tỏ.

Liệu có thể có một lý thuyết thống nhất như thế được không? Stephen Hawking trả lời trong cuốn “Lược sử thời gian” rằng “Hiện nay triển vọng tìm ra một lý thuyết như thế rất sáng sủa vì chúng ta đã biết khá nhiều về vũ trụ”, và “hiện nay chúng ta đang ở gần giai đoạn cuối trong quá trình tìm ra những định luật cơ bản của thiên nhiên”. Tuy nhiên, triển vọng đó trước mắt phụ thuộc vào việc hoàn thiện MHTC sao cho lý thuyết này có thể bao gồm cả tương tác hấp dẫn, nghĩa là kết hợp được MHTC với Thuyết tương đối tổng quát của Einstein. Nhưng trước hết, tất cả những bài toán vĩ đại đó phụ thuộc vào việc kiểm chứng Higgs bosons. Steven Weinberg viết: “Để hoàn thiện MHTC, chúng ta cần phải xác nhận sự tồn tại của những trường vô hướng này, và tìm ra có bao nhiêu dạng trường đó. Đây là vấn đề khám phá những hạt cơ bản mới, thường được gọi là những hạt Higgs, mà có thể được xem như là những lượng tử của những trường này. Chúng ta có mọi lý do để cho rằng nhiệm vụ này sẽ được hoàn tất trước năm 2020, sau khi chiếc máy gia tốc mang tên Large Hadron Collider tại CERN, Viện nghiên cứu vật lý hạt cơ bản Âu châu đặt tại Geneve, đã đi vào hoạt động được hơn một thập kỷ”.

Tóm lại, Higgs bosons đã và đang trở thành “nhân vật” chính yếu trong câu chuyện của vật lý hạt cơ bản, tức của MHTC, và của lý thuyết vật lý thống nhất, có nghĩa là của toàn bộ vật lý. Nhưng chính vào lúc mọi nỗ lực tập trung vào việc phát hiện hạt Higgs thì những thí nghiệm tại CERN đã làm bộc lộ điều gì đó bất ổn trong MHTC.

Một trong những phép đo được các nhà khoa học tại CERN sử dụng để tiên đoán khối lượng của hạt Higgs là xác định hướng phân huỷ của các hạt Z thành bottom quarks và phản-bottom-quarks. Mặc dù những phép đo này chưa trực tiếp kiểm chứng sự tồn tại của hạt Higgs, mà chỉ gián tiếp suy đoán khối lượng của hạt Higgs thông qua sự phân huỷ của hạt Z, nhưng “kết quả đo lường này không phù hợp một cách rõ rệt so với giá trị tiên đoán của MHTC”, Chanowitz nhận định trong báo cáo trên Physical Review Letters, “nếu điều này đúng, sự khác biệt này ngụ ý sự thất bại của MHTC”. Chanowitz phân tích tiếp: Vì việc đo lường sự phân huỷ hạt Z thành bottom-quarks và phản-bottom-quarks là cực kỳ khó khăn nên khả năng những “sai sót tinh vi lắt léo trong thí nghiệm” gây ra sự khác biệt trong kết quả là điều không thể tránh khỏi. Tuy nhiên sai số đo đạc không thể cứu vãn được lý thuyết, vì giá trị tiên đoán khối lượng hạt Higgs của MHTC quá thấp so với kết quả tính toán rút ra từ thực nghiệm, bằng 114,1 GeV (hơn 114 tỷ electronvolts), mặc dù kết quả này được chọn lựa từ giá trị nhỏ nhất (minimum) trong số những kết quả thu được qua nhiều lần thí nghiệm khác nhau. Nói cách khác, sự sai biệt giữa thực nghiệm và lý thuyết quá lớn, vượt quá sai số cho phép. Chỉ có thể giải thích sự sai biệt này bằng cách chỉ ra điều gì đó còn thiếu sót trong MHTC, và  khắc phục nó bằng cách tìm ra những lý thuyết mới, ý tưởng mới phù hợp hơn.

Một trong các ý tưởng đó, theo Chanowitz, là cần phải tiên đoán những hạt cơ bản mới và thậm chí của những lực mới chưa hề biết tham gia vào trong các tương tác. Liệu có thể tìm thấy những hạt mới và những lực mới hay không ? Cũng như nhiều nhà khoa học khác, Chanowitz hy vọng chiếc máy gia tốc mới mang tên LHC-Large Hadron Collider với công suất bắn phá protons lên tới cỡ nhiều nghìn tỷ electronvolts (multi-TeV) bắt đầu đi vào hoạt động vào năm 2005 tại CERN sẽ cung cấp lời giải cho sự thách thức bởi “Hạt của Chúa”.