LHC Phát Hiện Hạt Higgs Có “Bạn”

Khoảng đầu tháng 06/2018, các nhà vật lý học làm việc tại Máy Gia tốc Hạt Lớn – LHC đã có một phát hiện mới về hạt Higgs (còn được gọi là hạt của Chúa): ngoài việc phát hiện lại một lần nữa sự xuất hiện của nó, họ còn thấy thêm những chi tiết cho thấy nó tương tác với hạt cơ bản nặng nhất trong vật lý từng biết – hạt top quark, với khối lượng gấp 340,000 lần electron với điện tích +2/3.

Hai hạt Higgs và top quark tương tác với nhau là một trường hợp cực kì hiếm gặp, và qua đó các nhà nghiên cứu chiết xuất dược những thông tin quan trọng về bản chất của khối lượng, tìm hiểu thêm rằng liệu vật lý còn có thể đi xa hơn những gì con người đang biết không. Kết quả có được nhờ thử nghiệm do ATLAS và CMS, thuộc Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu CERN thực hiện. Họ xác nhận sức mạnh của liên kết giữa hạt Higgs và hạt top quark. Nghiên cứu mới đã được đăng tải trên Physical Review Letters.

Hạt Higgs, vốn là yếu tố cơ bản để xác định về khối lượng các hạt, việc có được dữ liệu về nó để so sánh với những dự đoán đã được đưa ra trước đây sẽ là một tin vui cho khoa học. Dù con người vẫn đã và đang tương tác với khối lượng hàng ngày, từ việc di chuyển, cầm lên cốc nước hay tương tác với lực hấp dẫn, thì lý thuyết về khối lượng vẫn khó nắm bắt. Phương trình E=mc^2 của Einstein mô tả khối lượng như năng lượng. Hợp các hạt lại thành neutron và proton sẽ cần năng lượng, và điều đó sẽ quyết định sức nặng của một nguyên tử.

Tuy nhiên, những hạt cơ bản vẫn có khối lượng ngay cả khi chúng chẳng hợp cái gì lại. Vậy khối lượng đó từ đâu ra?

Từ khoảng năm 1968, nhà khoa học Peter Higgs cho rằng có một hạt gì đó – một thứ hạt nằm cùng loại với hạt ánh sáng photon – tương tác với các hạt khác trong một trường đặc biệt, khi tìm ra được đó là hạt gì, ta sẽ hoàn thiện được phương trình tính ra khối lượng một vật thể, một hạt.

Nhiều thập kỷ sau dự đoán của Peter Higgs, loại hạt kì lạ vẫn luôn là ẩn số còn thiếu trên Mô hình chuẩn của Vật lý. Khoa học cần phải khẳng định được rằng nó tồn tại. Vào năm 2012, dùng Máy Gia tốc Hạt Lớn, người ta đã xác nhận được sự tồn tại của hạt Higgs. Mô hình chuẩn của Vật lý đã hoàn thiện. Khám phá ra hạt Higgs mới chỉ là bước khởi đầu của việc nghiên cứu nó. Các nhà khoa học cần phải đo đạc nó để tìm ra phần khối của một hạt, và hướng mũi nhọn nghiên cứu vào hạt top quark, thứ hạt nặng nhất con người đã biết.

Anh chị em của hạt top quark, là up quark và down quark, tạo nên proton và neutron. Nhưng hạt top quark lại không tồn tại đủ lâu để tạo nên được bất kì cái gì, vì nó bị phân rã cực kì nhanh. Tuy vậy, nó vẫn cực kì nặng, điều này cho thấy nó sẽ tương tác rất mạnh với trường Higgs.

Để bắt được việc chúng tương tác, cần phải sớm xác định được việc hạt Higgs sẽ xuất hiện cùng lúc với hạt top quark, trong một sự kiện có tên là sản xuất ttH. Cả hai thứ hạt đều có thời gian tồn tại cực kì ngắn nên bắt được riêng từng loại hạt đã khó, bắt được chúng một lúc lại càng khó hơn. Thực tế, chỉ có 1% Máy Gia tốc Hạt Lớn có thể tạo ra được năng lượng để hạt Higgs và hạt top quark xuất hiện cùng lúc.

Để có thể bắt được giây phút đặc biệt, các nhà khoa học sẽ phải lọc dữ liệu từ 2 thử nghiệm va chạm hạt khác nhau. Một ví dụ Science Alert đưa ra: việc này cũng khó như việc chụp được hình ảnh hai vị khách quý bắt tay nhau trong một bữa tiệc lớn, sau khi họ đã rời bữa tiệc và về tư gia của mình. Có điều còn khó hơn.

Khi tìm được đủ số lần bắt tay và so sánh kết quả số lần, các nhà nghiên cứu từ hai thử nghiệm sẽ đưa ra con số đo đạc chính xác lượng năng lượng có khi hạt Higgs và hạt top quark bắt cặp.

Nhà vật lý học Karl Jakobs, phát ngôn viên của ATLAS cho biết: “Thông số mà hai đội nghiên cứu cung cấp cho thấy rằng hạt Higgs đóng góp một giá trị rất lớn vào khối lượng của hạt top quark. Dù là yếu tố then chốt trong Mô hình chuẩn của Vật lý, đây là lần đầu tiên ta thử nghiệm thành công với những kết quả ngoài mong đợi”

Càng có được thêm nhiều thông tin trong những tháng thử nghiệm tiếp theo, sẽ càng mở được thêm nhiều bí mật của vật lý. Joel Butler, phát ngôn viên của CMS chia sẻ: “Khi ATLAS và CMS hoàn thiện việc thăm dò số liệu vào tháng 11/2018, ta sẽ có thể có được những dự đoán chắc chắn hơn về ttH trong Mô hình chuẩn của Vật lý, để xem liệu có điều gì mới không”

Kết quả sắp tới mang nhiều tính mong đợi hơn là một con số chắc chắn. Nhưng thành công nào cũng vẫn là thành công, đặc biệt khi vật lý đương đại còn quá nhiều bí ẩn chưa thể giải đáp.