Vậy “Hạt Thần Thánh” là gì?

Giả thuyết về sự tồn tại của “Hạt Thần Thánh”:

Mãi cho đến cuối thế kỷ 19, nhân loại vẫn cho rằng nguyên tử là thành phần nhỏ nhất của vật chất – thành phần không thể phân chia được và không còn thành phần nào nhỏ hơn thế nữa. Nhưng những khám phá của vợ chồng Pierre và Marie Curie ngay từ đầu thế kỷ 20 đã gợi ý rằng sự thật không phải như vậy. Hàng loạt khám phá của các nhà khoa học tiếp theo trong suốt thế kỷ 20 cho thấy bản thân nguyên tử cũng là một “vũ trụ mênh mông” – một thế giới phức tạp bao gồm những hạt nhỏ hơn được gọi là hạt “hạ nguyên tử” (sub-atomic).

Thế kỷ 20 là thế kỷ mở toang cánh cửa bí mật của nguyên tử để xâm nhập vào thế giới “hạ nguyên tử”. Lúc đầu người ta tưởng chỉ có vài ba loại hạt cấu tạo nên nguyên tử, nhưng càng về sau khoa học càng khám phá ra không biết bao nhiêu loại hạt, và quan trọng hơn nữa, người ta bắt đầu nhận ra rằng tập hợp các hạt không chỉ có ý nghĩa về số lượng, mà chúng còn tuân theo những “tổ chức quy củ”, trong đó mỗi hạt có “nhiệm vụ” và “quyền hạn” khác nhau, và do đó sẽ quyết định những đặc trưng vật chất khác nhau.

Từ đó, những lý thuyết phân loại hạt đã thi nhau ra đời, nhằm hệ thống hoá các loại hạt, sắp xếp chúng theo những trật tự xác định tuỳ theo chức năng vật lý của chúng. Các lý thuyết đó dần dần được tập hợp lại và hoàn thiện thành một hệ thống lý thuyết lôgích nhất quán, làm cơ sở cho toàn bộ khoa học vật lý hạt nhân. Hệ thống đó được gọi là Mô Hình Tiêu Chuẩn (MHTC – Standard Model).

Theo MHTC, toàn bộ thế giới “hạ nguyên tử” được quy về 17 loại hạt. Với 17 loại hạt đó, chúng ta có thể giải thích được mọi hiện tượng vật chất trong vũ trụ.

Tuy nhiên, trong số 17 loại hạt đó, vật lý thực nghiệm mới chỉ quan sát được 16 loại hạt, vẫn còn 1 loại hạt “bặt vô âm tín”, mặc dù lý thuyết toán học đã chứng minh rằng nó ắt phải tồn tại!

Đó là “Higgs boson” – một loại hạt mà MHTC cho rằng nó cung cấp khối lượng cho vật chất, nói cách khác, đó là loại hạt đặc trưng cho trường hấp dẫn.

Giả thuyết về sự tồn tại của Higgs boson đã được nêu lên từ những năm 1960 bởi Peter Higgs – một nhà vật lý lý thuyết người Scotland – và do đó tên của ông đã được dùng để đặt tên cho loại hạt này

Người đầu tiên nên lên giả thuyết về sự tồn tại của Higgs Boson

Về lý thuyết, Higgs boson đóng một vai trò quan trọng đến nỗi nhà vật lý nổi tiếng Leon Lederman, người đã từng đoạt Giải Nobel vật lý năm 1988, gọi nó là “Hạt Thần Thánh” (God Particle), vì nếu “tóm” được nó thì giấc mơ “biết được ý Chúa” của Albert Einstein sẽ được thực hiện!

Thật vậy, trong hơn ba chục năm cuối đời, Einstein đã dồn mọi nỗ lực để tìm một lý thuyết thống nhất của vật lý, cho phép nhìn thấy bản chất thống nhất của mọi hiện tượng vật chất trong vũ trụ, tức là hiểu rõ “ý Chúa”. Theo ông, vũ trụ được thiết kế theo những định luật xác định và tác giả của bản thiết kế đó là Chúa. Nhiệm vụ của khoa học là đọc được bản thiết kế đó, tức là “hiểu được ý Chúa”. Ông đã nhiều lần nói không úp mở rằng “I want to know God’s idea” (Tôi muốn hiểu được ý Chúa).

Nhưng tất cả còn phải chờ đợi việc khám phá ra Higgs boson!

Nếu không tìm được Higgs Boson thì MHTC sẽ lung lay, và nếu quả thật Higgs boson không tồn tại thì vật lý hạt nhân sẽ sụp đổ!

Vì thế, gọi Higgs boson là “Hạt Thần Thánh” quả cũng không ngoa. Đó là lý do để tên gọi này đã trở nên phổ biến trong thế giới vật lý, thậm chí được các nhà vật lý ưa dùng hơn cả tên gọi chính thức của nó, mặc dù chính bản thân Peter Higgs rất khó chịu với cái tên này, bởi ông là người vô thần.

Và cũng vì thế, việc săn lùng “Hạt Thần Thánh” đã và đang trở thành một trong những đề tài lớn nhất, “nhọn” nhất của vật lý hiện đại.

Nói cách khác, “Hạt Thần Thánh” là chìa khoá chủ yếu để tìm ra Lý Thuyết Cuối Cùng (The Final Theory) của vật lý, hay còn gọi là Lý Thuyết Về Mọi Thứ (Theory of Everything) – Lý thuyết kết hợp Thuyết Tương Đối Tổng Quát của Einstein với Cơ Học Lượng Tử của Bohr-Heisenberg, cho phép thống nhất tất cả các loại lực về cùng một bản chất, và do đó giải thích được mọi hiện tượng vật chất.

Với tất cả ý nghĩa trọng đại đó, cuộc săn lùng “Hạt Thần Thánh” đã bắt đầu từ khoảng gần hai chục năm nay và hiện đang trở thành một cuộc chạy đua khoa học ráo riết nhất, khẩn trương nhất, thách thức những bộ óc siêu việt nhất, tài năng nhất trên khắp thế giới.

Hiện có 3 trung tâm nghiên cứu mạnh nhất về vật lý hạt nhân là Mỹ, Nhật Bản và Liên Minh Châu Âu. Ai tìm ra “Hạt Thần Thánh”, người ấy sẽ có cơ may trở thành một “Einstein của thế kỷ 21”!

Người đó là ai?

Sau Lan Wu, người phụ nữ đi tiên phong trong cuộc săn lùng “Hạt Thần Thánh”:

Chúng ta chưa biết người đó là ai, nhưng chúng ta biết chắc chắn rằng trong số những nhà vật lý đi tiên phong trong lĩnh vực này, có một phụ nữ xinh đẹp, tươi tắn, đang làm cho toàn thế giới hồi hộp theo dõi từng bước đi của bà, vì dường như bà đang tiến gần tới đích hơn ai hết!

Người đó là Sau Lan Wu, người đang săn tìm Hạt Thần Thánh, được liệt vào danh sách những phụ nữ có đóng góp lớn nhất trong vật lý thế kỷ 20. Là một nhà vật lý người Mỹ gốc Hong-Kong, bà hiện là Giáo Sư Vật Lý Ưu Tú được phong danh hiệu Enrico Fermi (Enrico Fermi Distinguished Professor of Physics) của Đại Học Wisconsin ở Madison, Mỹ.

Tin tức cho hay: Sau Lan Wu và các đồng nghiệp trong nhóm vật lý do bà lãnh đạo đã tiến sát tới việc khám phá ra Higgs boson! Dường như đã xuất hiện thấp thoáng những dấu vết của Higgs boson và nhóm của Sau Lan Wu đang đuổi theo những dấu vết đó! Ngay lập tức, toàn thế giới đang nín thở hướng mắt về Sau Lan Wu.

Mặc dù công việc ngập ngụa tại Mỹ nhưng bà vẫn cộng tác chặt chẽ với CERN – Trung Tâm Nghiên Cứu Hạt Nhân Âu Châu – đặt tại Geneve, Thụy Sĩ. Chính tại đây bà đã có những khám phá làm sửng sốt giới vật lý hạt nhân.

Nếu cần phải nói thật ngắn gọn để giới thiệu tài năng và công lao của Sau Lan Wu, thì chỉ xin nói như sau:

Trong số 17 hạt hạ nguyên tử của MHTC, Sau Lan Wu là người đã khám phá ra 2 hạt: Hạt J, còn gọi là Charm Quark (hạt Quark Quyến Rũ), và hạt Gluon.

Có lẽ chỉ chừng ấy cũng đã quá đủ để thấy tầm vóc khoa học của Sau Lan Wu lớn đến chừng nào. Nhưng khát vọng của bà không dừng lại ở đó. Bà đang tấn công vào thành luỹ cuối cùng của MHTC, như bài báo “Going after the God Particle”^[2] (Săn đuổi Hạt Thần Thánh) cho biết: mặc dù việc tìm kiếm Higgs boson đã diễn ra 20 năm nay, nhưng vẫn chưa có ai tìm ra bằng chứng để khẳng định sự tồn tại của nó. Tuy nhiên, Sau Lan Wu và nhóm của bà đã tiến gần tới đích nhất.

Trong cuộc trà lời phỏng vấn tạp chí Science Daily, ngày 20-09-2000, Giáo sư Sau Lan Wu đã nhận định:

“Khám phá về Higgs boson sẽ đánh dấu một cột mốc vô cùng quan trọng trong lịch sử khoa học. Higgs boson có lẽ là hạt cơ bản quan trọng và khác thường nhất. Đúng là không có một loại hạt nào khác giống như nó, và không có nó thì toàn bộ hiểu biết của chúng ta về cách ứng xử của vật chất và năng lượng ở tầng đáy sâu nhất của vật chất sẽ bị đổ vỡ”.

Nhóm của bà Wu là những người đi tiên phong trong thí nghiệm ALEPH. Họ đã “tóm” được một số “ứng cử viên” của Higgs boson (Higgs boson candidates) mà khối lượng vào khoảng 114 GeV, nặng gấp 122 lần so với một proton.

“Nếu những ứng cử viên này chứng tỏ những dấu hiệu của Higgs boson thì cuối cùng chúng ta sẽ có một bức tranh hoàn chỉnh về hành tung của vật chất và năng lượng ở tầng sâu nhất mà hiện nay có thể thâm nhập bằng thực nghiệm”, bà Wu nói.

Để thám hiểm thế giới hạ nguyên tử, các nhà khoa học phải tạo ra những va đập của các hạt thông thường như protons và electrons và quan sát thăm dò kết quả của các va đập này. Công trình nghiên cứu của bà Wu được thực hiện trên máy gia tốc lớn mang tên LEP tại CERN, đặt dưới một đường hầm dài 17 dặm dưới lòng đất ở Geneve, Thụy Sĩ (để tránh bị nhiễu loạn bởi các hạt từ các tia vũ trụ).

Lúc đầu, do vấn đề phức tạp của Higgs boson, CERN dự định cho LEP ngừng hoạt động để thiết kế một máy gia tốc mạnh hơn mang tên LHC (Large Hadron Collider). Nhưng những dấu hiệu về các “ứng cử viên” của Higgs boson do nhóm bà Wu thu được đã làm cho CERN thay đổi kế hoạch: Họ quyết định kéo dài tuổi thọ của LEP với hy vọng nó sẽ tiếp tục củng cố các quan sát đối với các “ứng cử viên” đó.

Bà Wu cho biết:

“Nhóm ALEPH đã quan sát hàng nghìn va đập tại CERN, nhưng chỉ có 3 quan sát đem lại kết quả đầy hưng phấn, trong đó chứa đựng tất cả những dấu hiệu đặc trưng về Higgs boson. Đây là kết quả cực kỳ hiếm hoi sau nhiều năm săn lùng Higgs boson. Mặc dù chưa có kết luận nhưng những bằng chứng mới nhận được rất hấp dẫn và có sức thuyết phục. Việc giải thích bằng thống kê là cực kỳ phức tạp. Làm sao từ một đống dữ kiện hỗn tạp có thể nhặt ra những sự kiện có ý nghĩa như thế này là cả một công trình khổng lồ như công việc của Hercule.. Tuy nhiên trong thí nghiệm của chúng tôi, những ứng cử viên của Higgs boson đã co cụm lại với một khối lượng vào khoảng 114 GeV, bằng khoảng 122 lần so với một proton. Trong vùng này, chúng tôi dự đoán một vài sự kiện ẩn chứa những thông tin có ý nghĩa, …”.

Tuy nhiên, kết quả mới chỉ ở mức phát hiện thấy dấu vết của các “ứng cử viên” của Higgs boson mà thôi, chưa đến lúc có thể tuyên bố đã “tóm” được Higgs boson. Nói một cách dễ hiểu: Nhóm của bà Wu mới trông thấy dấu vết của một số “kẻ lạ mặt” bị tình nghi là “thủ phạm”, chúng mang những dấu hiệu của “thủ phạm”, tuy nhiên chưa đủ bằng chứng để khẳng định đó chính là “thủ phạm”.

Peter McNamara, một cộng sự của Wu, nói: “Mặc dù kết quả rất lý thú, hấp dẫn và thuyết phục, nhưng cần có thêm nhiều dữ liệu hơn nữa mới có thể tuyến bố chắc chắn cho việc khám phá ra Higgs boson”.

Nhưng người ta tin rằng trước sau rồi cũng sẽ đến lúc Higgs boson được khám phá. Con đường mà Sau Lan Wu đang đi là con đường đúng hướng, đầy lạc quan và triển vọng. Cả thế giới vẫn đang dõi theo từng bước chân của bà, đơn giản vì bà đã chinh phục được niềm tin và sự kính trọng của toàn bộ thế giới vật lý hạt nhân.

Tuy nhiên, dường như LEP vẫn không đủ mạnh để giúp cho các nhà khoa học “tóm” được “Hạt Thần Thánh”. Trong những năm qua, CERN lại quay về để thiết kế máy gia tốc LHC. Theo dự kiến, máy này sẽ sớm hoàn thành vào dịp đầu năm 2009 sắp tới, hứa hẹn sẽ đưa cuộc săn lùng “Hạt Thần Thánh” tới đích. Đó chính là nội dung bản tin của CERN ngày 04-07-2008 vừa qua.

Bản tin ngày 04-07-2008 của CERN:

Hôm thứ hai, nhà vật lý người Anh Peter Higgs nói sẽ sớm có khả năng chứng minh được sự tồn tại của một lực cung cấp khối lượng cho vũ trụ và làm cho sự sống có thể nẩy sinh – như ông đã nêu lên từ 40 năm trước đây.

Higgs nói ông tin rằng hạt mang tên “Higgs boson”, bắt nguồn từ lực, sẽ được khám phá khi một chiếc máy gia tốc khổng lồ của CERN đặt tại biên giới Pháp-Thụy Sĩ bắt đầu hoạt động đầy đủ vào đầu năm tới.

“Có nhiều khả năng là hạt này sẽ lộ diện trong chớp nhoáng … Tôi chắc chắn tới 90% rằng điều đó sẽ xẩy ra”, Higgs nói với các nhà báo.

Những cố gắng đầu tiên trong những năm 1960 của nhà khoa học năm nay đã 79 tuổi này – nhằm giải thích tại sao nhất thiết Higgs boson phải tồn tại – đã không được chú ý tại CERN.

Ngày nay, sự tồn tại của loại trường vô hình này đã được chấp nhận rộng rãi bởi các nhà khoa học. Họ tin rằng trường đó đã xuất hiện trong một khoảnh khắc vài phần nghìn giây sau Big Bang (Vụ Nổ Lớn) khai sinh ra vũ trụ 15 tỷ năm trước.

Việc khám phá ra Higgs boson sẽ chứng minh lý thuyết của Higgs là đúng.

Máy giá tốc LHC của CERN nhắm vào mục tiêu mô phỏng những điều kiện giống như thời điểm khủng khiếp ban đầu của vũ trụ bằng cách cho các hạt va đập với nhau với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và do đó sẽ làm lộ ra nhiều bí mật của vũ trụ.

Sau 13 năm, Peter Higgs đã có mặt tại Geneve để lần đầu tiên đến thăm CERN, trước khi cuộc thí nghiệm sẽ diễn ra vào đầu năm tới. Các nhà khoa học tại trung tâm hy vọng quá trình thí nghiệm sắp tới sẽ cho thấy dấu hiệu rõ ràng của loại hạt được một số người gán cho cái tên là “Hạt Thần Thánh”, một cái tên làm cho Higgs khó chịu vì ông là người vô thần.

Ông đưa ra lý thuyết giải thích tại sao khối lượng biến mất khi vật chất vỡ ra thành những thành phần nhỏ nhất cấu tạo nên chúng – như phân tử, nguyên tử và các quarks.

Peter Higgs, nhà vật lý đang làm việc tại Đại Học Edinburgh ở Scotland, nêu lên giả thuyết cho rằng vật chất không có khối lượng vào lúc khởi thuỷ của Big Bang và sau đó nhiều vật chất nhanh chóng tích tụ khối lượng.

Ông lý luận, nguyên nhân của điều này là do tồn tại một trường bám vào các hạt khi các hạt đi qua trường này và làm cho các hạt có sức nặng (khối lượng). Nếu điều này không xẩy ra thì vật chất sẽ bay tự do trong không gian và các ngôi sao và hành tinh sẽ không bao giờ hình thành.

Higgs nói ông hy vọng loại hạt hay lẩn tranh này – mà trước đây một máy gia tốc không đủ mạnh tại CERN và một máy gia tốc khác tại Viện Fermi ở Mỹ không phát hiện được – sẽ được khám phá trước ngày sinh nhật lần thứ 80 của ông trong năm 2009. “Nếu không phải như vậy thì tôi sẽ rất rất bối rối”, ông nói.

Nhưng ông cho rằng không thể nhìn thấy trực tiếp sự xuất hiện của Higgs boson trên những computer cực kỳ tinh vi do các nhà khoa học của CERN sử dụng để phân tích hàng triệu va đập trên LHC, bởi vì “Tất cả sẽ xẩy ra quá nhanh đến nỗi sự xuất hiện của Higgs boson có thể bị che lấp trong đống dữ liệu thu thập được, và cần phải có một thời gian dài để tìm thấy nó”, Peter Higgs nói, “Có lẽ tôi phải uống sâm banh có đá để chờ đợi”.

Thay lời kết

Nếu thí nghiệm năm tới của CERN thành công, chắc chắn tác giả của việc khám phá ra Higgs boson sẽ đoạt Giải Nobel vật lý. Cầu chúc cho Peter Higgs và Sau Lan Wu sẽ chia nhau giải thưởng đó!

Khi đó câu chuyện của chúng ta sẽ không dừng lại ở chuyện chia giải thưởng, mà chuyển sang một câu hỏi khó hơn:

Nếu vật lý khám phá ra tất cả các loại hạt, có nghĩa là biết được bản chất tận cùng của vũ trụ, thì phải chăng vật lý không còn lý thuyết gì lớn để nghiên cứu nữa? Phải chăng sau đó chỉ còn những nghiên cứu ứng dụng? Nếu đúng như vậy thì đó là niềm vui hay nỗi buồn?