Buổi bình minh của nền vật lý mới

Ngày nay khoa học vật lý đã cho một lời giải đáp hết sức đơn giản vấn đề nêu trên thông qua một lý thuyết gọn và đẹp nhất từ trước đến nay, có tên gọi là Mô hình chuẩn (SM Standard Model). Lý thuyết này mô tả tính chất của các thành phần nhỏ nhất của vật chất cũng như mọi tương tác giữa chúng, dẫn đến thế giới tự nhiên muôn hình vạn trạng mà chúng ta đang sống.

Theo mô hình chuẩn, các thành phần cơ bản cấu tạo nên vật chất thông thường là electron (e ^-), hạt quark “up” (u) và hạt quark “down” (d). Một hệ ba hạt quark tạo nên proton (uud) và nơtron (udd), hai loại này cùng với e ^-tạo nên hạt nhân nguyên tử. Đi kèm với e ^-còn có hạt nơtrino (ν), xuất hiện trong các quá trình rã của một số hạt nhân nặng.

Các hạt nói trên tạo nên thế hệ I của các hạt vật chất. Ngoài ra còn có hai thế hệ khác nữa, thế hệ II và thế hệ III, giống thế hệ I về mọi mặt, trừ việc các hạt có khối lượng lớn hơn. Hai thế hệ này dùng để làm gì, cho đến nay các nhà khoa học vẫn chưa trả lời được.

Các hạt vật chất như những “viên gạch” cấu tạo nên toà lâu đài thế giới tự nhiên. Để gắn những viên gạch lại với nhau thì cần phải có “xi măng” tức là các hạt bozon truyền tương tác phát huy tác dụng trong phạm vi hạt cơ bản:

- Tương tác điện từ giữa các hạt có mang điện tích. Hạt truyền là photon (γ).

- Tương tác yếu thể hiện qua các quá trình phân rã các hạt, với hạt truyền tương tác yếu là các bozon W ⁺, W ^-và Z ⁰.

Hai loại tương tác trên liên quan đến việc hình thành các nguyên tố hoá học.

- Và cuối cùng là tương tác mạnh, gắn kết các quark thành proton, nơtron và gắn kết các proton, nơtron thành hạt nhân nguyên tử. Hạt truyền tương tác mạnh là gluon.

Một trong những điểm đặc sắc nhất của Mô hình chuẩn là dạng cỏ ba loại tương tác (cấu trúc cụ thể của các phương trình toán học mô tả chúng) đều được quy định bởi cùng một nguyên lý hết sức tổng quát, chung cho cả ba loại.

Ngoài những hạt vật chất (quark, lepton) và các bozon truyền tương tác nói trên, ta còn phải kể đến một hạt đặc biệt là bozon Higgs. Hạt Higgs có “nhiệm vụ” sinh khối lượng cho các hạt thông qua dạng tương tác đặc thù của mình.

Để đầy đủ ta cũng cần kể thêm loại tương tác thứ tư là tương tác hấp dẫn (giữa mọi hạt có khối lượng), nhưng tương tác này là quá nhỏ trong phạm vi hạt cơ bản nên lâu nay vẫn bị bỏ qua.

Mô hình chuẩn được xây dựng vào những năm 70 và kiểm nghiệm thực nghiệm vào những năm 80 của thế kỷ trước. Nổi bật nhất là mô hình chuẩn đã dự đoán sự tồn tại của các bozon truyền tương tác yếu W ⁺, W ^-và Z ⁰, cũng như các gluon truyền tương tác mạnh và hai hạt trong số các hạt quark nặng là quark –c và quark –t. Nói riêng máy gia tốc LEP (Large Electron Positron) hoạt động ở CERN gần Geneva (Thụy Sĩ) trong khoảng thời gian từ 1989 đến 2000 đã khảo sát hiện tượng sinh và huỷ cả 20 triệu hạt bozon Z ⁰với các thuộc tính đúng như dự đoán. Đối với các hạt khác cũng tương tự.

Một kiểm nghiệm quan trọng thứ hai là đối với các góc trộn điện - yếu, một tham số có vai trò không thể thiếu được trong việc mô tả các tương tác điện từ và tương tác yếu. Tham số này được các thí nghiệm khác nhau cùng xác định là có giá trị như nhau với sai số một phần trăm (!), khẳng định tính đúng đắn của lý thuyết. Thật vậy, nếu như mô hình chuẩn là không đúng thì góc trộn này sẽ phải khác nhau đối với những quá trình điện - yếu khác nhau.

Tuy nhiên, như đã từng xảy ra đối với các lý thuyết khác trong lịch sử khoa học, các thí nghiệm gần đây tiến hành trên các máy gia tốc với năng lượng ngày càng cao đã cho nhiều kết quả có vẻ ra khỏi phạm vi mô hình chuẩn.

Đó là chưa kể nhiều vấn đề sâu sắc của vụ trụ học lại tìm được lời giải đáp trong vật lý hạt, tức việc tìm hiểu cái lớn nhất và cái nhỏ nhất được tiến hành đồng thời với nhau. Và điều này mô hình chuẩn không thể làm nổi.

Ta hãy lần lượt nêu ra đây những vấn đề chính yếu:

1. Mô hình chuẩn chỉ bao gồm ba loại tương tác (mạnh, điện từ và yếu) và bỏ qua tương tác hấp dẫn do cường độ quá nhỏ so với ba tương tác trên. Nhưng như lý thuyết đã chứng minh, các hằng số tương tác sự thực không phải là hằng số mà là thay đổi theo năng lượng, vì thế khi ngoại suy đến một năng lượng rất cao, giá trị các hằng số tương tác lại tiến đến gần nhau và cuối cùng gặp nhau, kể cả hằng số tương tác hấp dẫn. Điều này được thực hiện trong một mô hình mở rộng của mô hình chuẩn, có kể đến một dạng đối xứng mới giữa hạt bozon và hạt fecmion gọi là siêu đối xứng. Mô hình mở rộng này có tên gọi là mô hình chuẩn siêu đối xứng tối thiểu (MSSM-Minimal SuperSymmetric Standard Model).

Việc mở rộng này, nếu đúng, rõ ràng thực hiện được ước mơ của các nhà vật lý là thống nhất tất cả các tương tác trong tự nhiên. Đó là chưa kể tương tác hấp dẫn tuy bị bỏ qua trong phạm vi vi mô nhưng lại có vai trò chủ lực trong phạm vi toàn vũ trụ.

Tuy nhiên, siêu đối xứng lại đặt ra một vấn đề mới là đòi hỏi phải tồn tại những hạt đồng hành đi cặp với tất cả các hạt quark, lepton, các bozon truyền tương tác hiện nay. Các hạt đồng hành này có trong thực tế hay không? Người ta đang chờ đợi câu trả lời ở các kết quả tán xạ trên máy gia tốc Tevatron nâng cấp, thuộc phòng thí nghiệm Quốc gia Fermi (FNAL) ở Batavia, bang Illinois (Mỹ).

2. Trường hợp Hígg chịu trách nhiệm sinh khối lượng cho các hạt, nhưng dạng tương tác của nó được chọn khá tuỳ tiện, thiếu cơ sở nguyên lý chặt chẽ.

Mô hình chuẩn đòi hỏi là năng lượng đạt giá trị nhỏ nhất khi trường Higgs có một giá trị (khác không) nhất định. Nói cách khác, trường Higgs khác không thấm vào toàn vũ trụ và mọi hạt đều tương tác với nền đó và thu được khối lượng.

Đi với trường Higgs là hạt bozon Higgs. Trong mô hình chuẩn, ta không thể nào tính được khối lượng các hạt, kể cả khối lượng hạt Higgs. Tuy nhiên, ta có thể dùng các số liệu thực nghiệm khác để tính khối lượng một số hạt, chẳng hạn W, Z hay quark –t. Và các kết quả này được thực nghiệm kiểm chứng. Các thí nghiệm ở máy gia tốc LEP đã đo được các tham số của khoảng 20 đại lượng, liên quan qua lại trong mô hình chuẩn, ngoại trừ khối lượng hạt bozon Higgs. Do vậy ta có thể tính ngược lại hạt Higgs phải có khối lượng bao nhiêu để 20 đại lượng nói trên hợp nhất với nhau. Kết quả là khối lượng hạt Higgs phải nhỏ thua 200 GeV (để so sánh, ta nhắc lại hạt proton có khối lượng 0,9 GeV, hạt quark –t 174 GeV). Điều này gián tiếp chứng tỏ sự tồn tại của hạt Higgs, vì nếu không thì khó có thể ngẫu nhiên mà 20 đại lượng đó phù hợp với nhau được. Tình trạng tương tự cũng đã xảy ra trước đây đối với quark -t trước khi hạt này được tìm thấy.

LEP cũng tìm trực tiếp hạt Higgs nhưng chưa thấy, có thể vì năng lượng cao nhất đạt được ở máy này chỉ là 115 GeV. Các kết quả trên dẫn đến giới hạn dưới của khối lượng hạt Higgs là 115 GeV.

Hiện nay LEP đã hết vai trò lịch sử và đang được tháo dỡ để xây dựng một nhà máy gia tốc lớn hơn, máy LHC (Large Hadron Collider) dự kiến sẽ cho số liệu trong vòng bốn năm nữa. Khi đó có thể sẽ có câu trả lời đối với hạt Higgs vì LHC sẽ thật sự là “nhà máy” sản xuất cả triệu hạt Higgs và tạo điều kiện để nghiên cứu sâu về hạt này.

Trong khi chờ đến ngày đó, hiện nay người ta vẫn tiếp tục tìm kiếm hạt Higgs ở máy gia tốc Tevatron ở Phòng thí nghiệm Femilab, Chicago (Mỹ).

3. Mô hình chuẩn đề cập đến cả ba thế hệ quark nhưng không giải thích vì sao có ba thế hệ trong khi cuộc sống hàng ngày chỉ cần thế hệ đầu là đủ.

4. Nhiều dữ kiện ngày nay cho thấy là vũ trụ có vẻ có một mật độ năng lượng rất cao, ngay cả trong những vùng trống rỗng nhất của không gian. Người ta gọi đây là năng lượng vacuum, liên quan đến hằng số vũ trụ học, nhưng bản chất như thế nào thì hoàn toàn chưa rõ.

5. Khoảng một phần tư khối lượng vũ trụ không phải là vật chất thông thường như ta vẫn biết mà là một loại vật chất tối, lạnh. Bản chất của loại vật chất này là, vẫn còn là một vấn đề để ngỏ.

6. Lâu nay người ta vẫn tin rằng tốc độ dãn nở của vũ trụ sẽ chậm dần do lực hút hấp dẫn giữa toàn bộ vật chất trong vũ trụ. Thế nhưng ngày nay các nhà khoa học lại nhận thấy tốc độ dãn nở đó lại tăng lên và các mô hình lý thuyết hiện hữu chưa thể giải thích được.

7. Có những chứng cớ hiển nhiên là vào những phần nhỏ của giây phút đầu tiên sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang) vũ trụ đã trải qua giai đoạn nở phòng lên rất nhanh, gọi là giai đoạn lạm phát. Cái gì (trường vật chất gì) là nguyên nhân của hiện tượng này – Mô hình chuẩn không nói được.

8. Nếu vũ trụ xuất hiện qua vụ nổ bùng của năng lượng thì về nguyên tắc lượng vật chất được sinh ra phải như nhau (đối xứng CP). Nhưng thực tế lại không phải như vậy: phần vụ trụ quan sát thấy hiện nay chỉ chủ yếu là vật chất, tức cấu tạo từ proton, nơtron và electron chứ không phải từ các phản hạt của chúng.

Những thí nghiệm khảo sát hiện tượng vi phạm tính chẵn lẻ tổ hợp CP được tiến hành ở các máy gia tốc tán xạ sinh ra cả tỷ hạt quark –b (còn gọi là B – factories) hoạt động ở California (Mỹ) và ở Nhật. Dĩ nhiên mô hình chuẩn cũng có giải thích hiện tượng này nhưng chưa được toàn vẹn, và người ta cho rằng lời giải thích đúng đắn nhất lại nằm ngoài mô hình chuẩn.

Trên đây là những vấn đề mà mô hình chuẩn không giải quyết được, không phải vì lý do kỹ thuật hay vì tính toán khó khăn, mà là về nguyên tắc không thể có lời giải đáp. Vì vậy cần thiết phải mở rộng mô hình chuẩn, hay nói một cách hình tượng hơn, phải xây dựng một nền vật lý mới.

Những nội dung không thể giải đáp được trong mô hình chuẩn cũng chính là những định hướng nhằm mở rộng nó. Hướng mở rộng hiện nay trước tiên dựa vào siêu đối xứng như đã nói ở một phần trên. Một trụ cột nữa để xây dựng nền vật lý mới là khái niệm không gian nhiều chiều. Đây có thể coi là một cuộc cách mạng nối tiếp và sâu rộng hơn cuộc cách mạng của Einstein trong nhận thức về không gian và thời gian. Trụ cột cuối cùng trong phương hướng vật lý mới là quan niệm rằng phân tử nhỏ nhất cấu thành thế giới vật chất không phải là các hạt điểm, mà là những sợi dây kích thước vào cỡ 10 ^-33cm.

Các nhà vật lý, đặc biệt là vật lý lý thuyết, đang tràn đầy hi vọng là sẽ xây dựng được một vật lý mới dựa trên ba trụ cột nêu trên và từ đây giải đáp được cả tám câu hỏi đang thách thức nền khoa học của thế kỷ XXI.

Chúng ta hãy chờ xem.