Năm 2012, một đối tượng đặc biệt của vật lý đã được phát hiện: boson Higgs. Việc đó không chỉ mang lại giải Nobel cho hai nhà khoa học tiên phong trong việc dự đoán sự tồn tại của nó, mà còn mang tới những bước tiến lớn cho khoa học trong những năm qua và tất nhiên là cho cả tương lai. Nhưng chúng ta đã biết những gì về loại hạt đặc biệt này?
Tôi đã nhiều lần nhận được câu hỏi về đề tài này, nhất là khi giảng về vật lý hạt trong những khóa học vật lý thiên văn của mình. Hầu hết mọi người cảm thấy hoàn toàn mơ hồ về đối tượng này, ngay cả sau khi đọc những bài phân tích và những định nghĩa mà ngày nay có lẽ không phải quá ít. Lý do chính có lẽ, cũng giống như những đối tượng khác trong vật lý hạt và cơ học lượng tử, là vì nó khá trừu tượng - thậm chí, như sẽ trao đổi dưới đây, nó còn trừu tượng hơn những hạt cơ bản khác mà bạn vẫn thường biết.
Dưới đây, tôi xin dành ít dòng để trao đổi một số ý chính, với hi vọng rằng sẽ giúp những độc giả yêu khoa học - nhưng không đủ thời gian để đi quá sâu vào vật lý - có thể hiểu sơ bộ về đặc điểm và vai trò của loại hạt này.
Mô hình chuẩn và dự đoán về boson Higgs
Cho tới giữa thế kỷ 20, với sự phát triển của vật lý hạt, các nhà khoa học đã khám phá ra lần lượt từng loại hạt cơ bản cấu tạo nên vật chất mà chúng ta biết (gọi chung là các fermion), cũng như những loại hạt đóng vai trò truyền đi các loại tương tác (gọi chung là boson).
Tất cả những tương tác (hay còn thường được gọi là "lực") mà chúng ta biết đều thuộc một trong bốn loại gồm: tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu (Đọc thêm trong bài: "Các lực cơ bản trong vũ trụ").
Trong số bốn loại kể trên chỉ có tương tác hấp dẫn là chưa từng được xác nhận việc có tồn tại một loại hạt truyền nó (thường được gọi tên giả định là graviton) hay không - rất có thể, hấp dẫn chỉ đơn giản như mô tả của thuyết tương đối rộng, tức là nó chỉ là hệ quả của sự biến dạng không-thời gian chứ nó không phải một loại lực). Ba loại tương tác còn lại đều có hạt truyền tương tác: với tương tác điện từ thì đó là photon, với tương tác mạnh là gluon, còn với tương tác yếu thì là hai loại boson W và Z.
Vào những năm 1960, các nhà vật lý hạt phát hiện ra mối liên hệ giữa tương tác yếu và tương tác điện từ. Dù thoáng qua, chúng có vẻ rất khác nhau - một là tương tác giữa các hạt có điện tích, và một là thứ gây ra sự phân rã hạt nhân, nhưng dường như chúng chỉ là hai biểu hiện khác nhau của cùng một thứ mà sau này được gọi là "tương tác điện-yếu". Đi xa hơn, các nhà vật lý tìm được mối liên hệ của loại tương tác này với tương tác mạnh. Và đó là nền tảng cho Mô hình chuẩn của vật lý hạt. Nói một cách dễ hiểu, Mô hình chuẩn là một hệ thống lý thuyết mô tả một cách tổng quát và giải thích về mọi loại hạt cơ bản trong tự nhiên và những tương tác giữa chúng (cụ thể là ba loại tương tác vừa nêu).
Một vấn đề xuất hiện trong Mô hình chuẩn là lẽ ra các hạt truyền tương tác đều phải không khối lượng, như photon và gluon. Thế nhưng hai loại boson W và Z truyền tương tác yếu lại có khối lượng. Vậy khối lượng đó ở đâu ra?
Giải pháp lý thuyết cho việc này được đề xuất bởi Peter Higgs, François Englert và một số đồng nghiệp khác. Theo giả thuyết này, có một loại trường đặc biệt (tương tự như trường điện từ hay trường hấp dẫn) tồn tại từ giai đoạn sớm trong vũ trụ. Ban đầu, mọi loại hạt trong vũ trụ đều không có khối lượng. Tuy nhiên, khi vũ trụ nguội đi, trường này xuất hiện (ngày nay gọi là trường Higgs). Một số loại hạt va chạm với trường này khiến năng lượng của chúng bị cô đặc lại tạo thành khối lượng (nếu bạn còn nhớ, công thức nổi tiếng E = mc² đã hàm ý rằng năng lượng và khối lượng là như nhau và hoàn toàn có thể chuyển đổi lẫn nhau). Đó là cách mà vật chất trong vũ trụ có được khối lượng, không chỉ boson W và Z mà cả các electron hay các quark cũng như vậy. Nhưng cũng có một vài loại hạt không tương tác với trường này và vì thế chúng vẫn giữ nguyên trạng thái không khối lượng của mình, đó là photon và gluon.
Cụ thể hơn, khi các hạt va chạm với trường Higgs, chúng kích thích trường này, làm thay đổi năng lượng của nó ở những điểm va chạm và gây ra sự xuất hiện một loại hạt, và chính hạt đó là cái đưa khối lượng của nó vào các hạt cơ bản vốn không có khối lượng trước đó, tùy theo mức năng lượng va chạm mà các hạt được tạo thành sau đó có khối lượng khác nhau như chúng ta biết ngày nay. Loại hạt sinh ra trong trường Higgs đó được gọi là boson Higgs (hay đôi khi chỉ đơn giản là "hạt Higgs" cho thân thuộc với công chúng).
Vấn đề chỉ là: lý thuyết cho biết hạt Higgs không bền, nó phân rã trong một phần vô cùng nhỏ của một giây nên không có cách nào giúp chúng ta quan sát thấy nó trong tự nhiên, và nếu không quan sát được trực tiếp thì lý thuyết vẫn được coi là chưa có kiểm chứng.
Sự xác nhận
Năm 2012, các nhà khoa học làm việc ở máy gia tốc LHC (Large Hadron Collider) thuộc Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) đã công bố phát hiện đột phá của mình. LHC là máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới, với đường hầm dài tới 27 km đặt dưới lòng đất ở khu vực biên giới Pháp - Thụy Sĩ. Đó là nơi duy nhất có khả năng tạo ra những va chạm ở năng lượng cực cao giữa các hạt cơ bản. Những thí nghiệm của LHC khi gia tốc cho các proton lên vận tốc cực cao để chúng va chạm với nhau giúp các nhà nghiên cứu phát hiện thấy sự xuất hiện của một loại hạt mà mọi đặc điểm (sau nhiều lần kiểm chứng) đều khớp với dự đoán về boson Higgs đã được đưa ra từ gần nửa thế kỷ trước đó.
Như vậy, nói một cách dễ hiểu và đủ ngắn gọn: hạt Higgs là những hạt sinh ra khi các hạt va chạm với trường Higgs ở năng lượng đủ cao để kích thích nó đến mức nó tạo thành một hạt có khối lượng (tương tự như khi một làn gió thổi qua mặt nước đủ mạnh để tạo thành những gợn sóng rõ nét). Những hạt có khối lượng đó (hạt Higgs) tương tác với hạt va chạm và trao đổi khối lượng cho nó.
Không có trường Higgs thì không thứ gì trong vũ trụ có khối lượng cả, và như vậy sẽ không có cả các nguyên tử chứ chưa nói tới sự tạo thành các sao, thiên hà và hành tinh cũng như chính sự sống của chúng ta. Vì lý do đó, nhiều nhà khoa học gọi boson Higgs là "hạt của Chúa"/the God particle - tất nhiên, đó là một phép ví von mang tính văn hóa, không có hàm ý nào về tín ngưỡng trong đó cả.
François Englert (bên trái) và Peter Higgs được trao giải Nobel Vật lý năm 2013 vì những dự đoán tiên phong về trường Higgs.
Trường Higgs có phải luôn ở khắp nơi?
Câu trả lời là có, nó luôn hiện diện.
Trên thực tế, những gì mà các nhà vật lý ngày nay đã biết khi đi sâu vào cơ học lượng tử là các trường đều luôn có ở đó. Bạn không cần tới gần một nam châm hay nguồn điện nào đó thì mới có trường điện từ. Trường điện từ có ở khắp mọi nơi, các các điện tích chỉ là thứ được sinh ra khi trường đó bị kích thích đến năng lượng phù hợp. Electron hay proton đều chỉ là những điểm nơi trường điện từ bị kích thích. Các hạt Higgs cũng tương tự như vậy, chúng chỉ sinh ra khi trường Higgs bị kích thích cực mạnh. Việc đó là phổ biến trong giai đoạn đầu của vũ trụ, khi vũ trụ cực kỳ đậm đặc và các hạt năng lượng cao chuyển động khắp nơi. Còn ngày nay, như bạn đã đọc ở trên, chỉ ở những va chạm trong máy LHC, hạt Higgs mới được sinh ra. Vì vậy nên các hạt Higgs không phải đang hiện diện khắp nơi để khiến bạn có thể nặng lên chỉ vì va vào chúng. Mặc dù vậy, các hạt có khối lượng (như electron hay quark) vẫn tiếp tục tương tác với trường Higgs dưới dạng trao đổi những hạt Higgs ảo và qua đó chúng duy trì khối lượng của mình.
Có lẽ để có một lời diễn giải hoàn toàn dễ hiểu với một vấn đề của cơ học lượng tử là gần như không thể. Khác với những vấn đề xã hội hay thậm chí vật lý ở thang vĩ mô, hành vi của các hạt cơ bản đa phần là không thể mang ra so sánh với một thứ gì đó đời thường. Tôi cũng đã cố gắng loại bớt việc đưa vào những khái niệm quá phức tạp mà theo tôi là không quá cần thiết với một mô tả tổng quan như bài này. Hi vọng rằng bài viết đã cung cấp được một cái nhìn đủ tổng quát và dễ hiểu cho độc giả!
Tháng 4 năm 2022
Đặng Vũ Tuấn Sơn
