Quốc tế

Cuộc săn tìm hạt Higgs

Các thí nghiệm tìm kiếm boson Higgs đã được bắt đầu từ cuối những năm 1980 nhưng quyết liệt nhất là từ 20 năm trước ở CERN Thụy Sĩ và ở Fermilab, Hoa Kỳ

Cho đến năm 2000, trước khi đóng cửa để xây dựng Large Hadron Collider (LHC), máy va chạm Large Electron - Positron (LEP) tại CERN đã được cho chạy hết công suất, các dữ liệu thu thập được khi đó cho phép xác định được cận dưới đối với khối lượng của hạt Higgs là 114,4 GeV/c2 với độ tin cậy là 95%.

Thí nghiệm tương tự cũng đã tạo ra một số lượng nhỏ các sự kiện có thể được hiểu là boson Higgs ở khối lượng khoảng 115 GeV - nhưng số lượng các sự kiện đó là không đủ để rút ra kết luận cuối cùng. Tại Tevatron Fermilab, luôn có thí nghiệm tìm kiếm boson Higgs. Tháng 7-2010, dữ liệu thu được đủ để loại trừ các boson Higgs trong khoảng 158-175 GeV/c2 với độ tin cậy 95%. Kết quả sơ bộ của tháng 7-2011 mở rộng loại trừ khu vực khoảng 156-177 GeV/c2 với độ tin cậy 95% và vào cuối năm 2011, Tevatron ở Fermilab đóng cửa.

Những cuộc thí nghiệm từ LHC

Vào năm 2008, LHC được khánh thành, là máy gia tốc hạt mạnh nhất từng được xây dựng. Nó được thiết kế đặc biệt cho thí nghiệm này và các thí nghiệm năng lượng rất cao khác của mô hình chuẩn. Tuy nhiên, sau thử nghiệm thành công ban đầu của nó, hoạt động của LHC đã bị trì hoãn 14 tháng từ ngày 10-9-2008 cho đến giữa tháng 11-2009, do hệ thống nam châm của nó bị trục trặc. Vào năm 2010, LHC bắt đầu thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu chính của nó nhằm chứng minh có hay không sự tồn tại của boson Higgs.

Biểu đồ của CERN cho thấy ví dụ khi bắn các hạt proton nhỏ vào nhau để tạo ra hạt bí ẩn boson Higgs

Thu thập và phân tích dữ liệu tìm kiếm của hạt Higgs được tăng cường từ ngày 30-3-2010, khi LHC bắt đầu hoạt động ở năng lượng 3,5 TeV. Kết quả sơ bộ từ 2 nhóm thí nghiệm ATLAS và CMS tại LHC kể từ tháng 7-2011 đã loại trừ các boson Higgs có khối lượng nằm trong khoảng 155-190 GeV/c2 và 149-206 GeV/c2 tương ứng, với độ tin cậy 95%.

Tính đến tháng 12-2011, việc tìm kiếm đã thu hẹp gần khu vực 115-130 GeV, với trọng tâm cụ thể khoảng 125 GeV. Các thí nghiệm độc lập của ATLAS và CMS đã báo cáo rất nhiều các sự kiện, có nghĩa là cao hơn so với dự kiến số lượng mẫu hạt tương thích với sự phân rã của một boson Higgs được phát hiện trong phạm vi năng lượng này.

Các dữ liệu là không đủ để cho thấy sự gia tăng này là do ngẫu nhiên hay các nguyên nhân khác và ý nghĩa thống kê của nó chưa đủ lớn để rút ra kết luận hoặc thậm chí chính thức được tính như là một “quan sát” nhưng thực tế cả hai thí nghiệm độc lập đều cho thấy sự gia tăng ở cùng một mức khối lượng đã gây ra sự phấn khích đáng kể trong cộng đồng vật lý hạt.

Có phải boson Higgs?

Ngày 22-6-2012, CERN thông báo về một cuộc hội thảo sắp tới bao gồm các kết quả dự kiến cho năm 2012 và ngay sau đó tin đồn bắt đầu lan rộng và tin rằng tại cuộc hội thảo đó sẽ có một thông báo quan trọng. Ngày 4-7-2012, 2 nhóm thí nghiệm độc lập tại LHC (ATLAS và CMS) đã có báo cáo xác nhận sự tồn tại của một hạt trước đây chưa được biết đến với một khối lượng khoảng 125 GeV/c2 (khoảng 133 lần khối lượng proton, tức cỡ 10-25 kg), tức “phù hợp với boson Higgs” và nhiều người tin rằng nó chính là boson Higgs.

Nhưng họ cảnh báo rằng cần thiết phải nghiên cứu thêm trước khi xác nhận nó thực sự là boson Higgs (có nghĩa là nó có các tính chất như lý thuyết dự đoán của các boson Higgs và không phải là một hạt khác trước đó chưa biết).

Peter Higgs, Tom Kibble và François Englert đã được mời tới dự cuộc hội thảo này. Điều thú vị là trong một thời gian dài biết nhau như thế nhưng Peter Higgs và François Englert trước đó ngoài đời chưa bao giờ gặp nhau.

Giải Nobel sắp tới

Nếu khẳng định được một cách dứt khoát là đã tìm thấy boson Higgs thì chắc chắn thành tựu này sẽ được trao giải Nobel về vật lý. Nhưng vấn đề đang được bàn tán sôi nổi hiện nay là giải này sẽ được trao cho những ai. Cha đẻ của boson Higgs được coi là 6 nhà vật lý (trong đó một người đã qua đời năm 2011) nhưng theo quy định của giải Nobel, chỉ trao cho tối đa 3 người thôi.

Có lẽ chắc chắn được giải sẽ là Peter Higgs và François Englert vì họ là những người công bố sớm hơn. Nhưng còn nhóm 3 nhà vật lý gồm: Dick Hagen, Gerry Guralnik (Hoa Kỳ) và Tom Kibble (Anh) thì sao? Đúng là họ làm việc độc lập nhưng công bố chậm hơn, dù chỉ chậm hơn một tháng. Được tạp chí New Scientist hỏi những ai sẽ được trao giải Nobel, nhà vật lý Tom Kibble trả lời: “Ai mà biết được! Tôi rất vui là mình không phải đưa ra quyết định đó”.

Kỳ tới: Đưa boson Higgs đến... Quy Nhơn

Hỏi và đáp về boson Higgs

* Làm thế nào có thể tìm thấy một boson Higgs?

- Để tìm các hạt và mô tả nó, các nhà khoa học đầu tiên phải cố gắng tạo ra nó bằng cách bắn phá các chùm proton với nhau bên trong máy LHC ở gần tốc độ ánh sáng và phân tích các mảnh vỡ của những va chạm đó. Bằng cách này, về cơ bản, họ sẽ tái tạo được một mô hình rất nhỏ của trạng thái vũ trụ ở thời điểm một phần ngàn tỉ giây đầu tiên sau Big Bang.

Một số mảnh vỡ sinh ra bởi va chạm theo lý thuyết sẽ là boson Higgs, mặc dù chúng sẽ ngay lập tức phân rã thành các hạt hạ nguyên tử nhỏ hơn, bền vững hơn.

Cũng giống như các hạt nặng khác, hạt Higgs phân rã thành các hạt nhẹ hơn, các hạt này sau đó phân rã thành những hạt nhẹ hơn nữa. Tiến trình này có thể xảy ra theo một số cách nhất định, phụ thuộc vào khối lượng của các hạt.

Các nhà vật lý tiến hành so sánh các cách phân rã mà họ quan sát được sau một vụ va chạm hạt với các cách phân rã được tiên đoán theo mô phỏng trên máy tính. Khi thấy trùng nhau, có thể các hạt quan sát được chính là hạt cần tìm.

* Boson Higgs liên quan đến vụ nổ Big Bang như thế nào?

- Khoảng 13,7 tỉ năm trước đây, Big Bang đã sinh ra vũ trụ và gây ra một vụ bùng nổ năng lượng bức xạ và các hạt không có khối lượng. Các nhà khoa học nghĩ rằng trong các phần của giây sau đó, một phần của năng lượng bức xạ đã đông tụ thành trường Higgs.

Khi vũ trụ bắt đầu nguội đi, các hạt có được khối lượng từ trường Higgs, chuyển động chậm lại và bắt đầu kết hợp với nhau để tạo thành các hạt hợp và cuối cùng thành các nguyên tử.

Các điều kiện ở một phần tỉ giây sau Big Bang được tái tạo trong máy gia tốc hạt LHC ở gần Geneva.