Boson Higgs: Loại hạt đặc biệt trong vật lý
Vào năm 2012, một phát hiện mang tính cách mạng đã được công bố trong lĩnh vực vật lý: boson Higgs. Đây không chỉ là một đóng góp đáng kể và đáng tự hào cho khoa học, mà còn mở ra những tiềm năng lớn cho tương lai. Tuy nhiên, chúng ta đã hiểu bao nhiêu về loại hạt đặc biệt này?
Đặc điểm và dự đoán về boson Higgs
Trong các khóa học vật lý, tôi thường nhận được câu hỏi về đề tài này từ những người quan tâm, nhưng không có nhiều thời gian để tìm hiểu sâu. Đa phần mọi người cảm thấy rất mơ hồ về boson Higgs, dù đã đọc nhiều bài phân tích và định nghĩa. Có lẽ lí do chính là loại hạt này khá trừu tượng, thậm chí còn trừu tượng hơn những hạt cơ bản khác mà mọi người thường biết.
Dưới đây, tôi sẽ chia sẻ một số thông tin chính về boson Higgs, nhằm giúp những người yêu khoa học hiểu cơ bản về đặc điểm và vai trò của loại hạt này.
Mô hình chuẩn và dự đoán về boson Higgs
Cho đến giữa thế kỷ 20, trong quá trình phát triển vật lý hạt, các nhà khoa học đã phát hiện ra từng loại hạt cơ bản tạo nên vật chất (gọi chung là fermion) và loại hạt trao đổi các tương tác (gọi chung là boson).
Các tương tác mà chúng ta biết hiện nay thuộc một trong bốn loại: tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu.
Trong số bốn loại tương tác trên, chỉ có tương tác hấp dẫn chưa được kiểm chứng về việc có tồn tại một loại hạt truyền (thường được gọi là graviton). Có thể hiểu rằng, tương tác hấp dẫn chỉ là sự kết quả của sự biến dạng không gian-thời gian, không phải là một loại lực.
Ba loại tương tác còn lại có hạt truyền tương tác: photon cho tương tác điện từ, gluon cho tương tác mạnh và hai loại boson W và Z cho tương tác yếu.
Vào những năm 1960, các nhà vật lý hạt đã phát hiện mối liên hệ giữa tương tác yếu và tương tác điện từ. Mặc dù hai loại tương tác này có vẻ rất khác nhau – một liên quan đến tương tác giữa các hạt mang điện tích và một liên quan đến sự phân rã hạt nhân, nhưng được cho là chỉ là hai dạng khác nhau của cùng một tương tác có tên là “tương tác điện-yếu”. Tiếp theo, các nhà vật lý đã tìm ra mối liên hệ của tương tác này với tương tác mạnh. Đó là nền tảng cho Mô hình chuẩn của vật lý hạt. Mô hình chuẩn cung cấp một hệ thống lý thuyết tổng quát và giải thích về mọi loại hạt cơ bản trong tự nhiên và các tương tác giữa chúng (đặc biệt là ba loại tương tác đã nêu trên).
Một vấn đề xuất hiện trong Mô hình chuẩn là lẽ ra các hạt truyền tương tác phải không có khối lượng, tương tự như photon và gluon. Tuy nhiên, hai loại boson W và Z truyền tương tác yếu lại có khối lượng. Vậy khối lượng này xuất hiện như thế nào?
Giải pháp lý thuyết được đề xuất bởi Peter Higgs, François Englert và nhóm nghiên cứu khác. Theo giả thuyết này, có một loại trường đặc biệt (tương tự như trường điện từ hay trường hấp dẫn) tồn tại từ giai đoạn sớm của vũ trụ. Ban đầu, mọi hạt trong vũ trụ đều không có khối lượng. Tuy nhiên, khi vũ trụ nguội xuống, trường này xuất hiện (còn được gọi là trường Higgs ngày nay). Một số loại hạt chạm vào trường này và nhờ đó năng lượng của chúng bị cô đặc, tạo thành khối lượng (như công thức nổi tiếng E = mc² đã cho thấy rằng năng lượng và khối lượng là như nhau và có thể chuyển đổi nhau). Đó là cách mà vật chất trong vũ trụ có khối lượng, không chỉ boson W và Z mà còn electron, quark và nhiều hạt khác. Tuy nhiên, cũng có một số loại hạt không tương tác với trường này, vì vậy chúng vẫn giữ nguyên trạng thái không có khối lượng của mình, chẳng hạn như photon và gluon.
Cụ thể hơn, khi các hạt va chạm với trường Higgs, chúng kích thích trường này, làm thay đổi năng lượng và gây ra sự xuất hiện của một loại hạt, đó chính là hạt đóng góp vào khối lượng của các hạt cơ bản trước đó. Các hạt được tạo thành sau đó có khối lượng khác nhau, phụ thuộc vào mức năng lượng của va chạm. Hạt được sinh ra trong trường Higgs được gọi là boson Higgs.
Sự xác nhận boson Higgs
Vào năm 2012, các nhà khoa học làm việc tại máy gia tốc LHC (Large Hadron Collider) của Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) đã công bố phát hiện đột phá của họ. LHC là máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới, với đường hầm dài 27 km được đặt dưới lòng đất ở biên giới Pháp – Thụy Sĩ. Đây là nơi duy nhất có khả năng tạo ra các va chạm giữa các hạt cơ bản ở năng lượng cực cao. Thông qua các thí nghiệm tại LHC, khi proton được gia tốc đến vận tốc cực cao và va chạm lẫn nhau, các nhà nghiên cứu đã phát hiện sự xuất hiện của một loại hạt có tất cả các đặc điểm khớp với dự đoán về boson Higgs từ trước đó.
Tóm lại, boson Higgs là những hạt được tạo ra khi các hạt va chạm với trường Higgs ở năng lượng đủ cao để kích thích trường này đến mức tạo thành hạt có khối lượng. Điều này giống như khi một làn gió mạnh thổi qua mặt nước và tạo ra những gợn sóng rõ ràng. Các hạt cỡ này tương tác với các hạt va chạm và chuyển đổi khối lượng cho chúng.
Nếu không có trường Higgs, không có vật chất trong vũ trụ có khối lượng, và do đó không có nguyên tử, sao, thiên hà hay hành tinh, chưa kể đến sự sống. Đó là lý do tại sao nhiều nhà khoa học gọi boson Higgs là “hạt của Chúa” (the God particle) – tuy nhiên, đây chỉ là một cách diễn đạt hóm hỉnh, không liên quan đến tín ngưỡng.
Trường Higgs hiện diện ở khắp mọi nơi?
Đúng vậy, trường Higgs luôn hiện diện.
Thực tế là, những gì các nhà vật lý hiện đại đã biết khi nghiên cứu cơ học lượng tử là các trường tồn tại ở khắp mọi nơi. Bạn không cần gần một nam châm hay nguồn điện nào mới có trường điện từ. Trường điện từ tồn tại khắp nơi, các hạt điện tích chỉ là những điểm nơi trường này bị kích thích. Tương tự, các hạt Higgs cũng theo cùng một nguyên tắc, chúng chỉ được tạo ra khi trường Higgs bị kích thích mạnh. Điều này thường xảy ra trong giai đoạn đầu tiên của vũ trụ, khi vũ trụ rất dày đặc và các hạt năng lượng cao di chuyển khắp mọi nơi. Tuy nhiên, ngày nay, như đã giải thích ở trên, boson Higgs chỉ được tạo ra trong các va chạm trong LHC. Vì vậy, các hạt Higgs không hiện diện khắp nơi để khiến bạn trở nên nặng nề chỉ bằng cách tiếp xúc với chúng. Mặc dù vậy, các hạt có khối lượng như electron và quark vẫn tương tác với trường Higgs thông qua việc trao đổi hạt Higgs ảo và giữ nguyên khối lượng của chúng.
Có thể nói rằng diễn giải một cách hoàn toàn dễ hiểu với một vấn đề trong cơ học lượng tử gần như là không thể. Hành vi của các hạt cơ bản, khác với các vấn đề xã hội hay vật lý ở quy mô lớn nhất, thường không thể so sánh với những điều đời thường. Tôi đã cố gắng giảm bớt việc sử dụng các khái niệm phức tạp mà tôi cho rằng không quá cần thiết trong bài viết tổng quan này. Hi vọng rằng bài viết đã cung cấp cho bạn cái nhìn tổng quan và dễ hiểu về vấn đề này!
