Nỗi thất vọng mang tên hạt Higgs

Glaysher cảm thấy công việc bắt đầu giống như theo đuổi một bóng ma trong suốt cuộc đời mình.

Đằng sau mỗi một khám phá khoa học là cả một quá trình dài làm việc không ngừng nghỉ của không chỉ một mà có thể là hàng ngàn nhà nghiên cứu. Trên con đường đó, có những khoảng thời gian mà cảm xúc trái ngược nhau. Đôi khi là sự hào hứng và hi vọng đến cực độ, nhiều lúc là sự chán nản và nỗi thất vọng.

Nhân dịp máy gia tốc hạt LHC của CERN sắp hoàn thành những quan sát trong vòng đầu tiên trở lại nghiên cứu hạt Higgs, chúng ta hãy cùng tìm hiểu câu chuyện của Paul Glaysher, một nghiên cứu viên tại bộ phận ATLAS thuộc LHC để trải nghiệm nỗi thất vọng của anh mà đằng sau đó là những kì vọng lớn mang tên “Higgs – hạt của Chúa”.

Một người đứng trước bức tranh máy gia tốc hạt tại Bảo tàng khoa học London.

Chàng sinh viên không may mắn

Khi Paul Glaysher sắp hoàn thành chương trình thạc sĩ của mình vào năm 2012, cả thế giới đang sôi nổi với hạt Higgs. Tất cả các nhà khoa học đều nói về nó, “hạt của Chúa” giúp hoàn thiện mô hình chuẩn của vật lý hạt, giải thích được bí ẩn mang tên khối lượng của vũ trụ và vạn vật.

Đây chính là khoảng thời gian mà Tổ chức Nghiên cứu nguyên tử Châu Âu (CERN) sắp kết thúc giai đoạn 2 năm bắn phá proton trong cỗ máy gia tốc hạt lớn nhất hành tinh (Large Hadron Collider –LHC) nhằm tìm ra manh mối cho sự tồn tại thực sự của hạt Higgs.

Paul Glaysher quyết định sẽ hoàn tất chương trình học của mình trong một nhóm nghiên cứu tại LHC. Đó sẽ là cơ hội thực sự lớn cho tên tuổi của anh được vinh danh trong phát hiện vĩ đại nhất của nền vật lý hiện đại.

Hai tháng trước khi anh bắt đầu chương trình tiến sĩ của mình với nhóm nghiên cứu, đội ngũ trong bộ phận ATLAS và CMS của LHC công bố họ đã tìm thấy hạt Higgs.

“Tôi cảm thấy đôi chút buồn”, Glaysher nói. “Họ đã chờ đợi 50 năm để tìm ra sự tồn tại của hạt Higgs, vậy mà đã không thể đợi tôi thêm 2 tháng nữa”. Glaysher không có tên trong danh sách các nhà khoa học thực hiện sứ mệnh lịch sử, giá như anh đến sớm hơn 2 tháng.

Minh họa quá trình bắn phá proton để tìm ra hạt Higgs tại LHC.

Ba năm sau đó là một quãng thời gian ngọt ngào. Các dữ liệu mới tiếp tục khẳng định chắc chắn thêm về hạt Higgs. Máy gia tốc hạt tại CERN sau đó đóng cửa 2 năm để thực hiện nâng cấp. Các kỹ sư kì vọng tăng gấp đôi năng lượng cho các hạt giúp dễ dàng đập vỡ chúng hơn.

Rồi cuối cùng ngày mà các thí nghiệm trở lại cũng đến. Mùa hè này, LHC đã khởi động lại lần đầu tiên trong một lời hứa: cơ hội phát hiện những hạt lớn hơn, LHC sẽ làm những điều chưa từng được thực hiện trong một máy gia tốc hạt của nhân loại. Cả thế giới đổ những ánh mắt hân hoan vào LHC và đội ngũ của họ. Các nhà vật lý tin rằng họ sẽ có cơ hội ngắm nhìn những hạt cấu tạo nên vật chất tối hay thậm chí dấu hiệu của một chiều không gian khác.

Glaysher lúc này đã trở thành một thành viên của ATLAS, 3 năm rưỡi dành thời gian cho các thí nghiệm tại LHC, anh đã đi khá xa trên con đường nghiên cứu hạt Higgs. Tuy nhiên, khác hẳn với những kì vọng của bản thân 4 năm trước, lúc này anh cảm thấy công việc bắt đầu giống như theo đuổi một bóng ma trong suốt cuộc đời mình.

“Khám phá hạt Higgs, nghe thật thú vị. Người ta nói công việc này có thể đem lại một giải Nobel, nhưng rồi đó mới chỉ là bước đầu tiên”, Glaysher nói. Anh đang đối mặt với một thực tế phũ phàng hơn. Nhiều nhà vật lý lý thuyết khác cũng đồng ý với Glaysher. Họ nghĩ rằng hạt Higgs chưa thể tạo ra những chân trời mới trong vật lý như chúng ta kỳ vọng.

Giáo sư Peter Higgs (phải), người tiên đoán sự tồn tại của Higgs năm 1964, mở ra những kì vọng lớn cho vật lý. Ông nhận giải Nobel năm 2013 cho khám phá của mình.

Đâu là những kỳ vọng?

Hạt Higgs, về cơ bản là nhân tố cuối cùng cần điền vào mô hình chuẩn của vật lý hạt. Đó là nhóm gồm 17 hạt cơ bản và các quy tắc mà chúng tương tác với nhau. Trước khi phát hiện ra hạt Higgs, các nhà vật lý thực nghiệm đã quan sát được 16 hạt còn lại. Chính vì thế, họ đặt hết kỳ vọng vào Higgs sẽ mở ra một hướng mới trong mô hình lý thuyết.

Vậy mà cuối cùng, năm 2012, Higgs được tìm thấy hóa ra rất bình thường. Nó thể hiện những tính chất giống hệt những gì mà chúng ta dự đoán được, tuân theo mọi quy tắc và giả thuyết. Nói cách khác, các nhà vật lý lý thuyết đã làm quá tốt công việc của mình. “Với hạt Higgs, chúng tôi nghĩ rằng đã hiểu đến tận cùng về nó”, Andre David, trưởng nhóm nghiên cứu tại bộ phận CMS nói.

Công việc tại LHC thì vẫn tiếp tục, ATLAS và nhóm đối tác của họ CMS cùng nhiều nhà vật lý lý thuyết khác vẫn tin tưởng Higgs sẽ dẫn đến những hiểu biết mới về bản chất của thế giới. “Giờ nếu bạn chạm đến đáy thì phải xuyên thủng nó và rồi bạn sẽ thấy thêm một cái đáy nữa”, David nói. “Cứ giữ cho công cuộc tìm kiếm tiếp tục”.

LHC sẽ hoàn thành những vòng quan sát đầu tiên của họ trong tháng này. Proton đã được tiến hành va chạm ở mức năng lượng cao hơn 2 năm trước và các dữ liệu thì bắt đầu hé lộ cơ hội trả lời một trong những câu hỏi lớn nhất của vật lý.

Higgs được kì vọng đóng vai trò trong sự hình thành của vật chất tối.

Điều đầu tiên, các nhà khoa học muốn tìm thấy mỗi cặp đối xứng của 17 hạt trong mô hình chuẩn. Nó sẽ là xác nhận cho mô hình siêu đối xứng. Mô hình chuẩn, với sự đóng góp của Higgs, có thể giải thích sự tồn tại của lực yếu, cho phép một hạt biến thành hạt khác. Nhưng nó vô dụng khi giải thích sự chế ngự lực hấp dẫn của lực yếu. Để làm được điều này hoặc Higgs phải có khối lượng cực kỳ lớn hoặc các hạt đối xứng phải được quan sát. Năm 2012, Higgs được phát hiện với khối lượng nhẹ, cơ hội chỉ còn lại một nửa.

Thứ hai, Higgs được kì vọng đóng vai trò trong sự hình thành của vật chất tối. Có thể gần như nói rằng Higgs có khả năng biến thành vật chất tối, hoặc ít ra cũng ảnh hưởng một điều gì đó để vật chất tối xuất hiện. LHC có một hệ máy dò khổng lồ, hầu như nó có khả năng quan sát cả quá trình va chạm của các proton. Nếu bỗng dưng có một nguồn năng lượng biến mất, đó là dấu hiệu cho sự xuất hiện của vật chất tối.

Vấn đề thứ 3 là phản vật chất. Các nhà vật lý vẫn không chắc chắn điều gì thực sự xảy ra sau vụ nổ Big Bang. Vũ trụ vẫn là một hỗn độn của vật chất và phản vật chất. Cả hai đều có xu hướng hủy diệt lẫn nhau, giải phóng năng lượng. Lẽ ra quá trình phải cân bằng, vậy điều gì khiến vũ trụ ngày nay có nhiều vật chất hơn phản vật chất? Câu trả lời lại được kì vọng cho hạt Higgs. LHC sẽ tiến hành nghiên cứu sự tương tác của hai hạt Higgs với nhau để giải thích vấn đề này.

Và cuối cùng, một kỳ vọng lớn không kém cho những dữ liệu trong tháng của LHC: liệu có nhiều hơn một hạt Higgs? Giả thuyết nổi tiếng cho vấn đề này là có tới 5 chứ không phải chỉ 1 hạt Higgs. Và một trong số đó sẽ là một hạt Higgs nặng hơn rất nhiều so với Higgs của năm 2012. Tuy nhiên, nếu giả thuyết này đúng, LHC thậm chí còn chưa đủ mạnh để tạo ra hạt Higgs nặng. Dẫu vậy hãy cứ quan sát.

Ước gì chúng ta đã sai về Higgs

Phía trên là tất cả những dự đoán mà vật lý lý thuyết một lần nữa nắm chắc trong tay. Tuy nhiên, kết quả của lần va chạm proton lần này có thể đến từ một điều gì đó nằm ngoài hiểu biết của chúng ta. Hạt Higgs được quan sát năm 2012 có một khối lượng tương đương sự tương tác của một số lượng lớn các hạt.

Liệu đó có phải một sự trùng hợp hay các nhà khoa học đang bỏ qua một nguyên tắc cơ bản nào đó? Tuy nhiên, dù đó là gì không quan trọng, miễn là chúng ta có thể tìm ra một thứ gì đó nằm ngoài những mô hình lý thuyết hiện đại, có thể đẩy vật lý lên một tầm cao mới.

“Chúng ta không thể đảm bảo rằng đã biết đến hết tất cả các trường hợp. Có thể là chúng ta chưa đủ sáng tạo để tưởng tượng”, David nói. “Vật lý thậm chí có thể rẽ sang một hướng hoàn toàn mới ”. Nếu vậy, có lẽ đồng hồ tại CERN lại phải bắt đầu đếm một quãng thời gian mơ hồ mới. Họ đã mất 50 năm sau khi Peter Higgs giả thuyết sự tồn tại của hạt Higgs để quan sát sự hiện diện thực sự của nó.

Và nếu đã làm tất cả những gì có thể, khi tăng gấp đôi năng lượng cho LHC, CERN vẫn không thể tìm kiếm những câu trả lời, họ chỉ còn cách đóng cửa LHC một lần nữa để tăng năng lượng hơn nữa. Quá trình này có thể không phải 2 năm như trước đây, chúng ta thậm chí phải chờ 5 năm cho đến nhiều thập kỷ cho thí nghiệm tiếp theo.

Vậy hãy chờ đợi dữ liệu đầu tiên trong tháng này của CERN. “Chúng ta có rất nhiều câu hỏi. Những bằng chứng gián tiếp cũng đã được ghi nhận”, Elliot Lipeles, một trong số các nhà nghiên cứu trong nhóm ATLAS nói. “Hoặc sẽ là ngõ cụt, hoặc sẽ là một phát hiện gây sốc”.

LHC đã hoàn tất quá trình nâng cấp sau 2 năm để trở lại vào mùa hè.

Giờ nếu bạn hỏi Glaysher lúc này ra sao, anh vẫn đang tiếp tục công việc tẻ nhạt của mình là dành cả ngày để phân tích những trường hợp phân rã của Higgs. Có thể thấy rằng để khám phá ra một bí mật của khoa học, cụ thể ở đây là bí mật của Higgs, nó khiến không chỉ một mà hàng ngàn nhà khoa học làm việc miệt mài suốt nhiều năm.

Chờ đợi, phân tích những phép đo tinh tế mỗi này, nếu may mắn mỉm cười với anh chàng đã không may 4 năm trước, Glaysher có thể tìm ra một điều bất ngờ mới của Higgs. Vậy chúng ta phải hy vọng rằng vật lý lý thuyết còn chưa đạt tới đỉnh cao và hạt Higgs còn nhiều điều nữa chưa được khám phá.

Không quên gửi một lời chúc may mắn đến Glaysher, một nhà nghiên cứu đang miệt mài trên con đường của mình. Khoa học thực nghiệm, con đường mà anh chọn là nơi mà thất vọng, tẻ nhạt và buồn chán cũng làm nên màu sắc của nó.

Nguồn: GenK