Mô hình chuẩn và dự đoán về hạt Higgs
Việc phát hiện hạt Higgs không chỉ mang lại giải thưởng Nobel cho những nhà khoa học tiên phong, mà còn đóng góp quan trọng cho sự phát triển của khoa học hiện đại trong thời gian qua và tương lai.
Trước đó, trong quá trình phát triển vật lý hạt, các nhà khoa học đã khám phá ra các loại hạt cơ bản cấu tạo nên vật chất (gọi là fermion) và các loại hạt truyền tải tương tác (gọi là boson). Các tương tác này bao gồm tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu.
Trong số những tương tác này, tương tác hấp dẫn là duy nhất chưa được xác nhận có hạt truyền tải (được giả định là graviton) hay không. Có thể cho rằng tương tác hấp dẫn chỉ là hiện tượng biến dạng không gian – thời gian thay vì một loại lực.
Ba tương tác còn lại đều có hạt truyền tải: 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 phát hiện một liên hệ giữa tương tác yếu và tương tác điện từ. Dù thoạng qua, chúng có vẻ rất khác nhau, nhưng dường như chúng chỉ là hai biểu hiện của “tương tác điện – yếu”.
Các nhà vật lý cũng tìm được mối liên hệ giữa các loại tương tác này và tương tác mạnh. Điều này đã dẫn đến mô hình chuẩn trong vật lý hạt. Mô hình này là một lý thuyết tổng quát và giải thích về các loại hạt cơ bản và các tương tác giữa chúng.
Tuy nhiên, một vấn đề trong mô hình chuẩn là các hạt truyền tải tương tác nên không có khối lượng như photon và gluon. Tuy nhiên, hai loại boson W và Z truyền tương tác yếu lại có khối lượng. Vậy khối lượng này đến từ đâu?
Giải pháp về trường Higgs
Peter Higgs, Francois Englert và các nhà khoa học khác đã đề xuất giải pháp cho vấn đề này. Theo giả thuyết, tồn tại một loại trường đặc biệt (giống như trường điện từ hoặc trường hấp dẫn) từ giai đoạn sớm của vũ trụ.
Ban đầu, tất cả các hạt trong vũ trụ đều không có khối lượng. Tuy nhiên, khi vũ trụ nguội đi, trường này xuất hiện (hiện được gọi là trường Higgs). Một số loại hạt tương tác với trường này, làm cho năng lượng của chúng bị cô đặc để tạo thành khối lượng.
Đây là cơ chế mà vật chất trong vũ trụ có khối lượng, không chỉ cho boson W và Z mà còn cho electron, quark và các hạt khác. Tuy nhiên, có một số loại hạt không tương tác với trường này và do đó vẫn giữ nguyên trạng thái không khối lượng, như photon và gluon.
Cụ thể hơn, khi các hạt tương tác với trường Higgs, chúng kích thích trường này và làm thay đổi năng lượng của nó tại các điểm tương tác. Điều này dẫn đến xuất hiện một loại hạt, và hạt này đưa khối lượng vào các hạt cơ bản ban đầu. Tùy thuộc vào mức năng lượng tương tác, các hạt được tạo thành có khối lượng khác nhau, như chúng ta biết ngày nay.
Loại hạt được tạo ra trong trường Higgs được gọi là boson Higgs (hoặc đôi khi gọi là “hạt Higgs” cho dễ hiểu).
Tuy nhiên, giả thuyết cho biết hạt Higgs không ổn định và tồn tại trong một khoảng rất nhỏ thời gian. Do đó, không có cách nào để quan sát nó trực tiếp trong tự nhiên. Mà không có quan sát trực tiếp, giả thuyết vẫn chưa được xác nhận.
Xác nhận về hạt Higgs
Năm 2012, các nhà khoa học tại CERN (Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu) công bố một phát hiện đột phá. Với sự giúp đỡ của LHC (Máy Gia tốc Hạt Lớn), máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới, những cuộc va chạm hạt cơ bản ở năng lượng cực cao đã được tạo ra.
Các thí nghiệm tại LHC đã cho thấy sự xuất hiện của một loại hạt mà đặc điểm của nó trùng khớp với dự đoán về boson Higgs từ hơn nửa thế kỷ trước đó. Một cách dễ hiểu và ngắn gọn: Hạt Higgs là những hạt được tạo ra khi các hạt tương tác và trao đổi khối lượng cho nó.
Với việc này, ta có thể nói rằng hạt Higgs được coi là “hạt của chúa”. Đây là một phép ví von mang tính văn hóa, không liên quan đến tín ngưỡng.
Trường Higgs có mọi lúc mọi nơi?
Có, trường Higgs luôn hiện diện.
Trên thực tế, những gì mà các nhà vật lý đã biết sau khi nghiên cứu cơ học lượng tử là mọi trường luôn hiện diện. Bạn không cần tiếp xúc với nam châm hoặc nguồn điện nào để có trường điện từ.
Trường điện từ tồn tại khắp mọi nơi, các điện tích chỉ là những điểm nơi trường điện từ bị kích thích. Electron và proton chỉ là những điểm trong trường điện từ bị kích thích.
Các hạt Higgs cũng tương tự như vậy, chúng chỉ được tạo ra khi trường Higgs bị kích thích đến cực đại. Trạng thái này phổ biến trong giai đoạn đầu của vũ trụ, khi các hạt năng lượng cao di chuyển khắp nơi trong một không gian rất sát chất. Ngày nay, chỉ có ở các va chạm trong LHC mới sinh ra các hạt Higgs.
Vì vậy, các hạt Higgs không phải luôn hiện diện khắp mọi nơi để khiến bạn nặng lên khi va chạm 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 các hạt Higgs ảo và qua đó giữ nguyên khối lượng của chúng.
Có lẽ việc giải thích hoàn toàn dễ hiểu về cơ học lượng tử là gần như không thể. Khác với những vấn đề xã hội hoặc vật lý ở mức độ macro, hành vi của các hạt cơ bản khó có thể so sánh với những điều từ đời sống hàng ngày.
