Bước ngoặt vật lý hạt

Hạt boson Higgs là mảnh ghép cuối cùng trong Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, nhưng mô hình này không giải thích được một số khía cạnh cơ bản trong Vũ trụ của chúng ta. Từ khối lượng rất nhỏ của neutrino cho tới vật chất tối và năng lượng tối, còn có nhiều thứ khác xuất hiện trong Vũ trụ này. Nhưng đâu là nơi chúng ta có thể tìm được những đầu mối tiếp theo? Hiện thực sự chưa có được câu trả lời. Mỗi nhà vật lý đều có ý kiến của riêng mình, và mỗi quốc gia và vùng lãnh thổ thì lại đang chuẩn bị thực hiện những chiến lược khác nhau nhằm xác định vùng không gian trong lĩnh vực vật lý để khám phá. Một điều chúng ta có thể chắc chắn được là những chiếc máy va chạm hạt thế hệ tiếp theo sẽ đắt đỏ.

Vât lý hạt là một lĩnh vực quốc tế, với rất nhiều dự án và các thành viên đến từ nhiều quốc gia khác nhau. Mỹ có cơ sở để dẫn đầu trong một số lĩnh vực, chẳng hạn như vật lý neutrino, nhưng xét toàn cầu thì chưa có gì chắc chắn. Tài năng, cơ sở hạ tầng và tham vọng của Trung Quốc và Ấn Độ giờ đây phải được tính vào bài toán chung toàn cầu.

Vượt ra ngoài HIGGS

Máy va chạm hạt lớn (LHC) của CER sẽ sớm vươn đến mức năng lượng cao gần với hạt Higgs. Nằm gần Geneva, Thuỵ Sỹ, đây đang được xem là nơi có cỗ máy gia tốc hạt lớn nhất Thế giới. Năm 2015, khi cỗ máy quay trở lại hoạt động sau quá trình nâng cấp 2 năm, nó sẽ hoạt động gần với mức năng lượng thiết kế là 14TeV, tức là gần gấp đôi mức năng lượng ở thời điểm hạt Higgs được khám phá. Mô hình Chuẩn giờ đã được hoàn tất, do đó bất kỳ loại hạt mới nào được phát hiện cũng sẽ cách mạng hoá quan điểm vật lý của chúng ta.

Ngoài ra, các nhà khoa học có kế hoạch nâng cấp LHC vào những năm 2020 để cung cấp những chùm tia thậm chí còn sáng hơn và những máy dò có khả năng xử lý lượng dữ liệu cực lớn được sinh ra. Thậm chí, những nâng cấp khiếm tốn nhất cũng sẽ tiêu tốn khoảng 1 tỷ Đô la Mỹ, đòi hỏi sự đóng góp của cả các quốc gia thành viên và không thành viên thuộc tổ chức CERN.

Những mặt trận khác cũng mang đến nhiều hy vọng. Chúng ta hiện giờ vẫn chưa hiểu làm thế nào mà các neutrino có thể tương tác, bản chất khối lượng siêu nhỏ của chúng và vai trò của chúng trong Vũ trụ sơ khai. Fermilab đang thúc đẩy một đề xuất của Mỹ nhằm thực hiện một thí nghiệm chùm neutrino, chạy suốt 1.300km từ Fermilab đến mỏ Homesakte ở Nam Dakota. Một máy dò argon lỏng 35 kiloton được đặt ở sâu gần 1.500m so với mặt đất nổi lên như một dự án được ưu tiên tại Mỹ. Nó sẽ giúp cho chúng ta hiểu được khối lượng của neutrino và liệu những hạt này có đóng góp vào sự bất đối xứng giữa phản vật chất và vật chất trong Vũ trụ hay không.

Với tổng kinh phí xây dựng gần 1 tỷ Đô la Mỹ, thí nghiệm sẽ đòi hỏi các đối tác quốc tế một cách tiếp cận mới. Văn phòng khoa học thuộc Bộ Năng lượng Mỹ cho biết, họ sẽ hỗ trợ cho một đề xuất lớn như vậy nếu có sự tham gia của các đối tác từ châu Âu và châu Á.

Thí nghiệm Long-Baseline Neutrino là cần thiết. Những ứng cử viên đang được cân nhắc: một là ở châu Âu có thể nhìn thấy các chùm neutrino đi từ CERN tới Phần Lan; một là ở Nhật Bản. Nhưng Thế giới chỉ có khả năng hỗ trợ cho một thí nghiệm như vậy.

Nhật Bản có lẽ là đối thủ cạnh tranh mạnh mẽ nhất, với những chương trình đứng hàng đầu trong lĩnh vực vật lý neutrino, một nhà máy b-quark và các thử nghiệm kaon và muon. Quốc gia này hy vọng rằng Máy va chạm tuyến tính quốc tế ILC, cỗ máy va chạm electron-positron dài 30 km với năng lượng 500gigaelectronvolt, nhằm nghiên cứu boson Higgs sẽ vượt qua được LHC về độ chính xác vào cuối những năm 2020. Hy vọng nó sẽ bắt đầu được xây dựng vào cuối thập kỷ này.

Nhật Bản sắp khởi động một chiến dịch đăng ký hỗ trợ cho dự án quốc tế này, trong đó yêu cầu sự tham gia của Mỹ và châu Âu. Hầu hết các nhà vật lý đều ủng hộ ILC nhưng nhiều người trong số họ thì lại muốn được chứng kiến những khám phá có được từ phiên bản LHC nâng cấp trước. Nếu không có hạt mới nào được phát hiện thì độ chính xác cao hơn của ILC sẽ khiến cho nó thậm chí còn hấp dẫn hơn. Trong khi đó, nếu LHC có thể khám phá ra một phát hiện mới, cộng đồng có thể cần một cỗ máy khác để khám phá chế độ năng lượng mới.

Cho rằng chúng ta không chắc chắn đâu là phạm vi năng lượng sẽ cho ra được nhiều kết quả tiếp theo, rất nhiều nhà vật lý hạt tin rằng chúng ta nên hướng đến mức năng lượng cao nhất có thể. Một số còn đề xuất một máy gia tốc hạt lepton có mức có mức năng lượng thậm chí còn cao hơn, chẳng hạn như máy gia tốc hạt muon hay gia tốc hạt tuyến tính nhỏ gọn (cạnh tranh với ILC) có thể đạt 3-5TeV. Châu Âu cũng đang xây dựng một đội ngũ thiết kế máy va chạm proton-proton 100TeV, với một đường hầm có chu vi 100km để dò bất cứ hạt nào có thể được khám phá bởi LHC sau khi nâng cấp cũng như những mức năng lượng cao hơn thế nữa. Cỗ máy sẽ bắt đầu được khởi động vào những năm 2030.

Và Mỹ vẫn có những tham vọng để xây dựng một cỗ máy năng lượng cao sau khi đã cho dừng hoạt động máy gia tốc Tevatron của Fermilab vào năm 2011 và thất bại trong kế hoạch xây dựng máy siêu gia tốc dẫn những năm 1990. Fermilab vẫn là một trong những tổ chức hàng đầu Thế giới trong lĩnh vực nam châm từ trường cao phục vụ cho các máy gia tốc proton vốn cần thiết cho bất kỳ máy va chạm proton-proton 100TeV nào. Vai trò của Trung Quốc cũng đang dần thay đổi. Đóng vai trò nhỏ bé trong lịch sử vật lý hạt, năm qua Trung Quốc đã có bước tiến tới tầm Thế giới với những kết quả ấn tượng trong vật lý neutrino vận hành bởi lò phản ứng, bao gồm việc cho thấy 2 trong số 3 dạng neutrino kết hợp với nhau nhiều hơn so với dự đoán. Sự kết hợp lớn này cho thấy rằng những khác biệt đối xứng cơ bản giữa neutrino và phản neutrino có thể được quan sát trong một thử nghiệm longbaseline, cho chúng ta biết về sự mất cân bằng của phản vật chất và vật chất trong Vũ trụ sơ khai.

Có thể Trung Quốc sẽ đi tắt đón đầu bằng cách xây dựng một cỗ máy 100TeV. Việc xây dựng cỗ máy này ở Trung Quốc sẽ rẻ tiền hơn, mặc dù quốc gia này vẫn cần đến sự giúp đỡ của Thế giới và Trung Quốc.

Đối thoại toàn cầu

Các nhà vật lý không quan tâm nơi họ thực hiện các nghiên cứu. Tuy nhiên, quy mô rộng lớn của những dự án vật lý hạt có nghĩa là tất cả những siêu máy gia tốc mới sẽ đòi hỏi kế hoạch, sự đồng thuận và đóng góp xây dựng của toàn cầu. Các chính phủ trên toàn Thế giới sẽ phải thực hiện các khoản đầu tư tài chính chưa từng có ở những quốc gia khác. Các chính phủ đang cố gắng tìm hiểu những mô hình tốt nhất phù hợp tới lợi ích quốc gia của họ.

Thế giới cần quan tâm để đảm bảo sự hoạt động của những phòng thí nghiệm lớn như CERN, Fermilab và Tổ chức nghiên cứu gia tốc năng lượng cao KEK ở Tsukuba, Nhật Bản. Hiện tại, đó là những nơi có thể thực hiện các dự án vật lý lớn. Nhu cầu từ những nền kinh tế mới nổi như Trung Quốc trong việc sở hữu những dự án khác sẽ thách thức những kế hoạch dài hạn của các nhà tiên phong hiện nay. Các nhà khoa học Mỹ và châu Âu sẽ phải tìm ra cách để tận dụng sự cạnh tranh quốc tế nhằm thúc đẩy những dự án tiên tiến trên đất của họ trong khi vẫn là những đối tác quốc tế tốt. Điều này sẽ trở nên khó khăn.

Hạt boson Higgs không phải là thứ để xuất khẩu và nó cũng không phải là những bức tranh về không gian sâu thẳm từ những kính viễn vọng tiên tiến. Nhưng những công nghệ đã được phát triển, thường là thông qua hợp tác quốc tế, có thể mang đến mục đích sử dụng kép, hoặc cho ứng dụng quốc phòng hoặc cho lợi ích kinh tế, chẳng hạn như khoa học cơ bản. Các quốc gia phải quyết định cách giám sát và khai thác những cơ hội này một cách có trách nhiệm.

Các nhà tiên phong trong vật lý hật cần phải có được tiếng nói nhiều hơn và tích cực hơn trong việc xác định và bảo vệ chương trình toàn cầu. Tập hợp các cơ sở vật lý hạt toàn cầu đồng bộ sẽ giúp chúng ta hiểu được cách vận hành của Vũ trụ. 

Q.N -Theo BCNN