17/10/2013
Giải Nobel năm 2013 công nhận “ Hạt Tử Thiên Thần - God Particle”:
Tìm kiếm đã nữa thế kỷ
Hai nhà vật lý đoạt giải Nobel 2012
Cách đây gần 50 năm, hai nhà vật lý học Francois Englert và Peter Higgs đề nghị độc lập nhau một lý thuyết về những hạt tử thu nhận khối lượng – mass . Các lý thuyết này đã được xác nhận năm ngóai 2012, khi các nhà khoa Học Máy Đụng Độ To lớn -Large Hadtron Collider , ngoại ô Thành Phố Genève- Thụy sĩ dò ra boson Higgs là hạt tử chánh yếu lý thuyết họ. Ở hình kèm, Máy Đụng Độ phóng ra 2 luồng protons hướng vào nhau, theo gần đến tốc độ ánh sáng. Bộ xương của máy dò là những vòng thép. Các nam châm bẻ cong lối đi của các hạt tử sạc điện và giúp xác nhận các lọai hạt tử. Các ổ đĩa cuối chóp làm bằng hai lớp sắt. Tiếp theo hàng ngàn tỉ đụng độ, các nhà vật lý học đã tìm thấy những dấu hiệu hạt tử boson Higgs, bằng cách nghiên cứu những dấu hiệu các cặp cao năng lượng photons ( quang tử) trình bày trên hình bằng những đường màu cam. Một boson Higgs có thể phân hóa thành 2 photons hay nhiều phối hợp khác của những hạt tử phụ nguyên tử - subatomic particles.
Hạt tử phụ nguyên tử ở ngành vật lý học hạt tử
Vật lý học hạt tử là một phân ngành vật lý nghiên cứu về bản chất của các hạt tử, những thành phần thường được gọi là chất liệu – matter và phóng xạ - radiation. Theo hiểu biết hiện nay, hạt tử là những kích thích- hưng phấn các trường hạt lượng – quantum fields và tương tác chiếu theo biến thái – động thái chúng. Dù rằng “ từ ngữ” hạt tử có thể dùng chỉ đến nhiều vật thể ( tỉ như một proton, một hạt tử khí – gas particle hay ngay cả bụi bặm – dust gia thất nữa ), từ ngữ “hạt tử vật lý -particles physics” thường chiếu theo nghiên cứu những vật thể căn bản – fundamental của vũ trụ, những lảnh vực cần định nghĩa hầu giải thích những hạt tử được quan sát và không thể nào định nghĩa bằng một phối hợp các lảnh vực- trường căn bản khác. Bộ lớp hiện tại các lảnh vực căn bản và động lực học chúng được tóm tắt ở lý thuyết tên gọi là Mô Hình Tiêu Chuẩn - Standard Model , cho nên các hạt tử vật lý phần lớn là nghiên cứu của nội dung Mô Hình Tiêu Chuẩn và những nới rộng có thể làm được ở Mô Hình này.
Khảo cứu cận đại các hạt tử vật lý tụ điểm vào các hạt tử phụ nguyên tử - subatomic particles , gồm những thành phần nguyên tử tỉ như electron ( điện tử âm ), protons ( nguyên sinh tử ) và neutrons ( trung hòa tử ) ;( protons và neutrons là những hạt tử tổ hợp – composite tên gọi là baryon , các quarks tạo ra ) do các tiến trình kích họat phóng xạ - radioactive và phân tán tạo ra, chẳng hạn như photons , neutrinos và muons , cũng như một rặng rộng lớn các hạt tử ngọai lai – kỳ lạ. Muốn cho đặc thù hơn, từ hạt tử - particle là tên gọi sai - misnomer từ ngành vật lý học cổ điển, vì động lực học của vật lý học hạt tử được cơ học hạt lượng cai quản. Đúng như vậy, chúng phô trương một tính hai mặt, nhị nguyên- duality : làn sóng( vi ba ) và hạt tử, trình bày cư xử như hạt tử dưới một vài điều kiện thí nghiệm và cư xử như làn sóng dưới vài điều kiện khác.
Có 2 lọai hạt tử phụ nguyên tử : hạt tử nguyên tố- elementary particles và hạt tử tổ hợp – composite particles . Vật lý học hạt tử và vật lý học hạt nhân – nuclear physics nghiên cứu chúng và cách nào chúng tương tác. Hạt tử nhỏ hơn một nguyên tử, dù rằng vài hạt tử phụ nguyên tử có khối lượng lớn hơn vài nguyên tử.
Hạt tử nguyên tố của Mô hình Tiêu Chuẩn gồm có :
- “Sáu mùi vị” của quarks : trên -up, dưới-down, đáy- bottom , chóp- top , mạnh- strong và kiều diễm- charm
- 6 lọai lepton : electron, electron neutrinos, muon, muon neutrino , tau và tau neutrino
- 12 “ boson thước mẩu- gauge boson” , mang theo lực- force carriers : photon của điện từ- electromagnetism , 3 W và Z boson của lực yếu kém – weakforce và 8 gluon của lực mạnh - strong force.
- Boson Higgs
Những hạt tử phụ nguyên tử tổ hợp – composite, tỉ như proton và nhân nguyên tử - atom nuclei dính chặt vào 2 hay nhiều hạt tử nguyên tố. Chẳng hạn một proton do 2 quarks trên và một quark dưới tạo thành , trong khi nhân nguyên tử của helium – 4 là do 2 proton và 2 neutrons làm ra . Hạt tử tổ hợp gồm tất cả mọi hadrons , có luôn cả baryons ( là các protons và neutrons ) và mesons ( tỉ như pions và kaons ).
Câu chuyện đọat giải Nobel của Peter Higgs, Anh Quốc và Francois Englert của Bỉ
Họ gọi nó là Hạt tử Thiên Thần, vì nó cất giữ chìa khóa, then chốt cho hiện diện con người trên Trái Đất và thật thế luôn cả hiện diện của mọi chất liệu trong vũ trụ. Các quốc gia tranh chấp đã gạt qua một bên các khác biệt và xài hàng tỉ đô la để cố tìm ra nó. Các nhà khoa học xây dựng những máy siêu đụng độ to lớn đủ khả năng sản xuất những nhiệt độ lạnh lẽo gần như những điểm lạnh nhất trong vũ trụ, trong cố công làm sáng tỏ những bí mật của vũ trụ. Phải mất gần nữa thế kỷ mới có được cái nhìn lướt qua điều này. Nay trong một lúc đeo vương miện, hai nhà vật lý họclý thuyết đã đọat giải thưởng Nobel vật lý học vì đã có tinh thần dám nghĩ – dám làm hình dung là điều như vậy có thể hiện diện . Năm 1964, người Bỉ Francois Englert và người Anh Peter Higgs riêng rẽ đặt ralý thuyết sự hiện diện của những hạt tử phụ nguyên tử, sau đó được gọi tên là boson Higgs. Đúng là then chốt khi giải thích cách nào các điều thu nhận khối lượng và trở thành một hòn đá móng cho cái gọi là Mô Hình Tiêu Chuẩn của những hạt tử vật lý học .
Ai sẽ đọat giải, đã được đoán trước rộng rải rồi. Đối với các vị đọat giải, tuồng như là một hồi tưởng, ngay sau một tuyên bố ngày 4 tháng 7 năm 2012 là đã tìm thấy boson Higgs. Englert , nay 80 tuổi sau khi giải tuyên bố ở thủ đô Stockhom- Thụy Điển nói rằng ông rất sung sướng và ông không còn nói gì hơn được nữa đâu ? Higgs ẩn dật, nay 84 tuổi, giới hạn giải đáp trên một tuyên ngôn 59 chữ, đăng tải trên trang Web Viện đại học Edinburg – Tô Cách Lan, nơi ông là giáo sư danh dự môn vật lý học lý thuyết. Ông viết: “ tôi hy vọng sự nhìn nhận khoa học căn bản này sẽ giúp nâng cao hiểu biết về giá trị khảo cứu trời xanh.”
Rất nhiều trong số hàng ngàn nhà khoa học tham dự sự tìm kiếm này, tỏ vẽ kích động hơn về giải thưỏng. Họ tụ tập ở phòng lộ thiên chứa nước phong ten dinh thự Thụy Sĩ, nơi làm cư xá cho nhóm săn bắt Higgs của cơ quan CERN thuộc Tổ chức Cho Khảo cứu Hạt Nhân Âu Châu , để lắng nghe tuyên bố từ Stockhom. Khi họ nghe tên Francois Englert, họ vổ tay khen ngợi, la to, theo lời của nhà vật lý học Joseph Incandala, đại học UC Santa Barbara , nhà lảnh đạo một nhóm CERN. Khi nghe gọi tên Peter Higgs, họ cũng la to, vổ tay khen ngợi ầm ỉ như thế. Ông nói ở một tuyên ngôn viện đại học là : “mọi người đều muốn ca ngợi. Chúng tôi cho nổ các chai sâm banh và nâng cốc uống chúc mừng và ai nấy thảy đều chúc nhau .”
Khi các nhà khoa học đến được hạt tử né tránh này mùa hè năm ngóai ; nó trở thành một hiện tượng văn hóa pốp, nhại lại nhưng kẻ trông giống Stephen Colbert và biến nó thành một búp bê nhung lộng lẫy đáng yêu, theo một lối cười nhe răng chênh lệch. Thật khó tưởng tượng nổi vào đầu thập niên 1960, khi các nhà khoa học đang tiến bước vào Mô Hình Tiêu Chuẩn. Lý thuyết mô tả các hạt tử phụ nguyên tử là căn bản cho các khối xây dựng nền móng vũ trụ, song song với cách nào chúng tương tác.
Nhưng các lý thuyết gia có một vấn đề: các phương trình của họ chỉ họat động được, nếu các hạt tử không có khối lượng – mass . Đây là một cái gì không thể có được ở một vũ trụ chất đầy những cái ngữ này tỉ như các ngôi sao, các hành tinh và dân gian . Englert cùng cọng sự viên Robert Brout và Higgs, mỗi người viết ra những bài bản riêng biệt đem tới một giải đáp có thể xảy ra. Họ tưởng tượng là vũ trụ có thể tràn ngập một trường vô hình, khẩn thiết làm chậm xuống các hạt tử, truyền đạt tới chúng với khối lượng và giúp cho thế giới quanh chúng ta hiện diện được. Theo Robert Cousins, một nhà vật lý học viện đại học UCLA: “ý kiến độc nhất này làm cho mọi phương trình họat động được.”
Trường giả thiết sau đó có tên là trường- field Higgs. Nếu nó hiện diện, nó cũng sẽ liên kết đến một hạt tử, sau đó cũng được biết là boson Higgs. Qua nhiều năm, rất nhiều thí nghiệm hổ trợ sự hiện diện của trường Higgs, hay cái gì gần giống như thế. Nhưng Englert bà Higgs sẽ không được công nhận hòan tòan về cái nhìn sâu đậm của họ, mãi cho đến khi các nhà khoa học đủ khả năng dò ra boson Higgs.
Các nhà vật lý học nghiên cứu các hạt tử phụ nguyên tử bằng cách tung những luồng đánh vỡ mạnh các hạt tử khác ở những tốc độ siêu cao và phân tích những mảnh đạn vỡ, thành quả các đụng độ. Các nhà khoa học đã có một ý nghĩ về lọai mảnh vỡ đạn nào họ cần nhìn thấy, để xác nhận là boson Higgs có thật sự. Thế nhưng chỉ nhờ xây cất Máy Đụng Độ Hadron To Lớn của CERN gần Genève, họ mới đủ sức lực cần để nhìn thấy boson Higgs, theo lời Vivek Sharma, nhà vật lý học hạt tử viện đại học UC San Diego , người đã trải nhiều năm đi qua lại Hoa Kỳ và Thụy Sĩ. Những máy đụng độ trước đó, kể luôn cả máy Tevatron, la bô Fermilab ở bang Illinois , không đủ nước cốt – juice . Và các nhà vật lý học thí nghiệm đã nghĩ rằng máy đụng độ năng lượng mạnh hơn của CERN có thể hòan tất công việc.
Hai thí nghiệm lớn tên là CMS và ATLAS thu thập các dữ liệu khẩn thiết để xác nhận là boson Higgs hiện diện. Chúng cung cấp chứng cớ cho Viện Hàn Lâm khoa học vương quốc Thụy Điển cần có, hầu tưởng thưởng Englert và Higgs, theo lời Ủy Ban Nobel. Sharma, nhà dẫn đạo tìm kiếm CMS Higgs , so sánh các tiên đóan với sách Tiến sĩ Seuss ông thường đọc cho con gái trẻ tuổi của ông nghe. Ông nói : “ Y hệt Trứng Xanh – Green Eggs và giăm bông – ham. Ai nhìn thấy một cái gì ô nhục như thế, cũng không muốn rờ tới nó. Nhưng cuối cùng, chúng tôi nếm thử Trứng Xanh và Giăm bông và thấy chúng rất ngon lành .
Ông thêm là các nhà khoa học vẫn tiếp tục tìm kiếm khó khăn này , xây dựng các máy đụng độ lớn mạnh hơn mỗi ngày mỗi tăng và tạo ra những cộng tác rộng hơn, vì chưng chúng tôi muốn biết là chúng tôi từ đâu đến. Và vũ trụ làm bằng gì đây ? . Cousins cũng làm việc với thí nghiệm CMS, nói rằng “ thật đáng hài lòng thấy Englert và Higgs đọat giải, vào lúc nhiều người hòai nghi đeo đuổi khoa học này. Tôi rất sung sướng là chúng tôi vẫn có thể cố giữ như là một thí dụ nơi khoa học họat động và trả lời đích đáng, dù đã phải mất 50 năm trời”. Cousin nói thêm là rất nhiều người sẽ bối rối, nếu những nhà lý thuyết không đạt giải năm nay, vì lý do đơn giản là họ già quá rồi. ( Brout, chết năm 2011, đã không chia sẽ được tiền thưởng là 1.2 triệu đô la, vì Ủy Ban Nobel không trao giải cho ai đã chết). Cousins cũng nói là ông nghe tin Higgs đã lẫn tránh vài ngày và chỉ xuất hiện lại vài ngày sau đó. Cousins nói đùa : Higgs hình dung tình trạng không thể chịu đựng nổi, dù Higgs đọat hay không đọat giải .
Tuyên bố của Ủy ban Nobel đã chậm đi mất một giờ, khiến cho Englert sốt ruột là ông và Higgs sẽ qua đời mất tiêu. Englert, thuộc viện đại học tự do Bruxelles, nói thêm rằng vẫn còn nhiều câu hỏi quan trọng cần giải đáp ở ngành vật lý học hạt tử. Các nhà khoa học vẫn hy vọng thăm dò chất liệu đen tối – dark matter và năng lượng đen tối nữa theo lời Englert. Máy Đụng Độ To Lớn Hadron có thể giúp công cuộc thăm dò này. Hiện nay, nó đang buông màn che, để cải thiện thêm. Nhưng sẽ bắt đầu tung lại các luồng protons đánh vỡ vỡ vào năm 2015; lúc đó máy sẽ có năng lượng còn cao hơn các năng lượng boson Higgs tiết lộ nữa !
(Phần lớn chiếu theo Eryn Brown, LA Times ngày 9 tháng 10 năm 2013)
( Irvine, Nam Ca Li - Hoa Kỳ, ngày 12 tháng 10 năm 2013 )
