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

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


Thiện Tâm •Thứ hai, 03/09/2018


Chia sẻ FBChia sẻ TwitterBình luậnNgày 28/8/2018 vừa qua, các nhà khoa học làm việc tại dự án máy gia tốc hạt lớn số 1 thế giới LHC, tại Trung tâm Nghiên cứu hạt nhân châu u (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 , phản hạt quark đáy (bottom quark). Điều ngạc nhiên chính là hạt Higgs chủ yếu phân rã theo cách này.(ảnh minh họa: Shutterstock)Thông tin này cho thấy một sự thống số 1 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 khảo sát đã tìm hiểu mối quan hệ giữa lực điện đến 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, Tuy nhiên cuối cùng người ta phát hiện rằng 2 cả lực này đều xuất phát đến từ một một lực chung và cơ bản hơn, mà hiện nay mọi người gọi chính là lực điện yếu.Vấn đề dễ nhìn thấy số 1 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 nguy hiểm của lý thuyết này.Một số nhóm các nhà khoa học đã đề xuất một biện pháp cho vấn đề này: một trường vô hướng tràn ngập khắp vũ trụ đến từ “thuở hồng hoang” đã được gọi là trường Higgs. Những 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 chính là hạt Higgs hay là còn ngoại chính là boson Higgs. Mô hình các hạt cơ bản theo lý thuyết này được gọi chính là Mô hình Chuẩn (Standard Model).Trong hình vẽ dưới đây, hạt Higgs (H) được tô màu xám mờ, trong khi loại hạt khác có màu hồng, tím, xanh.Góc trái phía ở trên chính 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 , neutron.Hình chữ nhật nhỏ, màu xanh ở góc trái phía dưới chỉ 6 các 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 đã được coi là những các loại hạt vật chất. Hình chữ nhật nhỏ, màu tím phía bên phải chỉ 4 các loại hạt lực hay còn gọi chính là hạt trường (hạt truyền tương tác): Z, γ: (photon), W và g (gluon).Trên đây chính là 16 các loại hạt mà đến đầu năm 2012, giới vật lý đã khám phá đã được và mô tả rất nhiều kỹ càng, chính xác. Còn lại duy nhất các loại hạt cơ bản thứ 17, tức hạt Higgs – theo lý thuyết bắt buộc phải có để Mô hình Chuẩn chưa 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 nguy cơ 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


Máy gia tốc hạt lớn (LHC) (Ảnh: Flickr)Các hạt Higgs đã được tạo ra trong các va chạm năng lượng cao giữa các cặp hạt được gia tốc tới gần với tốc độ ánh sáng. Các hạt này chưa 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, cũng 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 đã 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 chỉ bằng khoảng 133 lần một proton. Những tính toán đến 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%) , 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 chính là khẳng định các dự đoán chính là chính xác cho hạt quark đáy.Khi các nhà vật lý thông báo về việc phát hiện hạt Higgs năm 2012, họ dựa ở trên sự phân rã hạt Higgs thành hạt Z, hạt W , và photon chứ không phải hạt quark đáy. Nguyên nhân là rất nhiều 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 đã được để gây 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, chính là các 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 chính là khá phổ biến. Vì vậy, việc gây nên các hạt quark đáy bởi sự phân rã của các hạt Higgs hoàn toàn bị tràn ngập bởi các cặp hạt quark được gây nên bằng các tiến trình thông thường khác. Theo đó, về cơ bản chính 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 thiên 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. Những nhà điều tra tìm kiếm một loại sự kiện khác – các va chạm mà ở đó các hạt Higgs được gây nên đồng thời với các hạt W , Z. Những nhà khảo sát gọi loại va chạm này chính là “sản xuất kết hợp” (association production).Các hạt W và Z có vai trò gây nên 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 gặp hơn các sự kiện không liên quan đến hạt Higgs, nhưng sự hiện diện của hạt W và Z giúp cho 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, Tuy nhiên tri thức của phòng thí nghiệm đã góp vai trò quan trọng vào thành công này.Mô phỏng sự kiện va chạm proton-proton trong LHC của CMS có đặc điểm của một hạt Higgs phân rã thành 2 quark đáy. Trong khi đây chính là một phân rã phổ biến của hạt Higgs, biểu hiện của nó rất nhiều khó tách biệt với các sự kiện tương tự (ảnh: CMS)Máy gia tốc LHC có hai máy dò hạt vật lý lớn có nguy cơ quan sát các hạt Higgs – là Compact Muon Solenoid (CMS) , 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 , vì sao nó có nguy cơ tính toán siêu đẳng?


Một lý thuyết quan trọng


Quá trình chỉ ra hạt Higgs theo cách quan sát khá đơn giản là tiến bộ đáng kể trong qua khoa học, Tuy nhiên 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 đã được đề xuất, Mô hình Chuẩn đã dự đoán rằng các hạt chưa có khối lượng. Sau khi trường Higgs đã được đưa vào như chính 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 đã được phát triển từ những năm 1960, dự đoán rằng có thể cũng 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 , so sánh với tốc độ phân rã được dự đoán. Cách dễ số 1 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 số 1 tốt nhất giữa 2 tốc độ cũng sẽ cho giá trị gần bằng 1.Thí nghiệm của CMS tìm thấy sự thống số 1 tuyệt vời trong báo cáo gần đây, với tỉ lệ giữa dự đoán , quan sát thực tế là 1,04 ± 0,2 , kết quả đo đạc của ATLAS chính là rất tương tự (1,01 ± 0,2). Sự thống số 1 ấn tượng này là một chiến thắng của lý thuyết hiện tại, mặc dù nó không chỉ ra đã được một phương hướng để hướng tới một nguồn gốc cơ bản hơn cho các hiện tượng của hạt Higgs.Theo livescience.com,Thiện Tâm biên dịch , tổng hợp


hạt hạ nguyên tửhạt Higgsvật lý lượng tử


2018-09-03