Hướng ưu tiên trong thí nghiệm trên hệ gia tốc đối chùm LHC

LHC và những vấn đề cần nghiên cứu

Hệ gia tốc đối chùm hadron khổng lồ LHC là máy gia tốc lớn nhất thế giới từ trước đến nay, vừa được khánh thành ở CERN ngày 10.9 vừa qua. Nó được lắp đặt theo một kênh tròn, chu vi 27 km chạy ngầm dưới đất quanh vùng thành phố Geneva (Thụy Sỹ). Trụ sở của CERN trên tiếp điểm phía Tây Nam của đường vòng là nơi có vài nghìn chuyên gia làm việc thường xuyên và còn vài nghìn người liên kết từ các viện, trường đại học trên toàn thế giới. Trong kênh gia tốc LHC có hai chùm hạt proton (một loại hạt hadron phổ biến nhất) chạy theo chiều ngược nhau, được gia tốc đến năng lượng cao để khi va chạm hai proton trực đối thì có một sự phá vỡ hạt nhân với năng lượng phát sinh cao hơn 14 TeV (=14.1012 eV). Máy gia tốc cũ trước đây ở CERN và máy TeVatron hiện ở Fermilab (Mỹ) chỉ đạt năng lượng nhỏ hơn hoặc xấp xỉ 1 TeV. Một đặc điểm quan trọng khác là mật độ chùm hạt proton đạt cao hơn các máy gia tốc trước đây, vì vậy làm tăng hy vọng tìm kiếm các hiện tượng va chạm hiếm gặp.

Tại điểm va chạm, người ta thiết kế lắp đặt thiết bị đo khổng lồ (detector) sao cho khi các tia sinh ra trong cú va chạm bay ra thì có thể ghi đo và nhận dạng được chúng, từ đó biết được bản chất và quá trình vật lý xảy ra. Trên chu vi của máy gia tốc đối chùm LHC được lắp bốn hệ đo ATLAS, CMS, LHCb và ALICE . Lúc tôi đến thăm ATLAS hồi cuối tháng 3.2008 thì họ đang lắp ráp giai đoạn cuối cùng. Mỗi thiết bị như vậy do một tập thể hàng vài trăm nhà vật lý và kỹ sư của nhiều nước cùng hợp tác xây dựng trong khoảng 5 đến 10 năm. Trong đó, lớn nhất là hai hệ ATLAS và CMS có nhiệm vụ đo và tìm những hiện tượng hoàn toàn mới mà trước đây chưa biết hoặc chưa có điều kiện để thí nghiệm. Hai hệ đo này có cấu tạo khác nhau nhưng sẽ phối hợp thí nghiệm song hành để tìm những hiện tượng có liên quan hoặc giống nhau khả dĩ so sánh đối chứng bổ sung cho nhau, nhằm đảm bảo sản phẩm cuối cùng tìm được trên LHC là đáng tin cậy. Hệ đo LHCb và ALICE nhỏ hơn, chủ yếu để nghiên cứu bổ sung cho những kết quả khoa học đã biết trước đây trên các máy gia tốc năng lượng thấp hơn. Cụ thể, hệ LHCb đi sâu nghiên cứu các hiện tượng hiếm như vi phạm đối xứng hạt - phản hạt có vai trò của quark b (viết tắt của bottom - dưới hoặc beauty - đẹp là tên hạt quark thứ 5 trong bảng xếp hạng). Hệ ALICE nghiên cứu một số hiện tượng vi mô của vật lý hạt nhân xảy ra ở năng lượng cao.

Chương trình nghiên cứu của CERN rất rộng lớn, với nội dung đa dạng và phức tạp. Dưới đây, xin giới thiệu ba nội dung ưu tiên hàng đầu sẽ được thực hiện trên hai hệ đo ATLAS và CMS:

Tìm hạt Higgs

Đây là một hạt giả thiết, sinh ra trong tương tác qua lại của chân không vật lý với các hạt cơ bản “nguyên thuỷ”, quá trình này gọi là cơ chế Higgs (tên tác giả đề xuất), kết quả sẽ tạo ra khối lượng thực tế cho các hạt cơ bản. Nó là sản phẩm của mô hình chuẩn lý thuyết thống nhất của các hạt cơ bản. Tuy nhiên, trong phạm vi mô hình này, người ta vẫn phải tính toán dựa theo nhiều giả định khác nhau nên việc dự báo khối lượng hạt Higgs cũng không nhất quán. Có lúc họ hy vọng nó nặng khoảng trên 100 lần khối lượng của hạt proton, nhưng cũng có thể nó sẽ vượt trên 200 lần hoặc hơn nữa. Các máy gia tốc trước đây chưa đủ năng lượng và mật độ chùm tia để sinh ra hạt Higgs, còn trong hệ đối chùm LHC, do va đập của hai proton đạt trên 14 TeV nên hiện chúng ta có một khoảng năng lượng mở rộng hơn đáng kể. Tuy vậy, chúng ta cũng phải tính đến các khả năng khác: Biết đâu hạt Higgs còn nặng hơn thế nhiều thì lần này trên LHC cũng chưa chắc thấy được nó! Ngoài ra, cũng có quan điểm cho rằng, hạt Higgs chỉ là hạt giả tưởng, như một “công cụ toán học” để dẫn ra khối lượng trong các lý thuyết tính toán theo mô hình chuẩn. Trong tình huống này thì chắc chắn chúng ta sẽ không tìm thấy hạt Higgs, dù có năng lượng cao đến bao nhiêu. Đây là trường hợp mà mô hình chuẩn sẽ bộc lộ giới hạn của nó, giống như định lý Newton chỉ đúng ở giới hạn khi vật chuyển động với vận tốc nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng. Đây sẽ là tình huống mà lý thuyết hạt cơ bản sẽ có một lối mở để đi tiếp đến một chân trời mới, không kém phần quan trọng, nếu không muốn nói là còn thú vị hơn cả việc tìm được hạt Higgs phù hợp với dự đoán của lý thuyết có sẵn! Quả thật, để khẳng định hoặc phủ định giả thuyết Higgs đều phải trả giá khá đắt.

Thuyết tương đối rộng của Einstein đề xuất lực hấp dẫn là biểu hiện của độ cong không gian và thời gian, nhưng cụ thể khối lượng của các hạt hình thành thế nào thì cũng chỉ có vài giả thuyết khác nhau luận giải, chưa chứng minh được bằng thực nghiệm. Nếu tìm được hạt Higgs tức là ta sẽ trả lời được câu hỏi: “Khối lượng là gì?”, một câu hỏi tưởng chừng như dễ hiểu, nhưng thực chất từ trước đến nay chưa có ai trả lời được. Đấy là nhiệm vụ ưu tiên số một của hai nhóm thí nghiệm ATLAS và CMS trên hệ gia tốc đối chùm LHC. Nó cũng là hy vọng phát minh có trọng số lớn nhất trong chương trình nghiên cứu đang được khởi động.

Tìm các hạt siêu đối xứng

Đây cũng là các hạt giả thiết dựa vào một lý thuyết khác táo bạo hơn, đó là thuyết siêu đối xứng. Lý thuyết này coi hai nhóm hạt vốn rất khác nhau là hạt fermion (ví dụ, hạt electron) và bozon (ví dụ, hạt photon ánh sáng) có cùng nguồn gốc cha mẹ. Nếu quả vậy thì cứ mỗi hạt mà ta đã biết đều phải có một hạt là “anh chị em sinh đôi” của nó, nhưng lại có cá tính rất khác nhau! Người ta mong đợi các hạt siêu đối xứng sẽ đóng vai trò chính của “vật chất tối” để giải thích sự thâm hụt một lượng khổng lồ (96%) vật chất bao gồm cả vật thể và bức xạ trong mô hình vũ trụ đương đại. Giả thuyết về siêu đối xứng có vẻ rất logic về toán học, nhưng lại rất đáng ngờ về vật lý. Thực tế suốt 30 năm qua, kể từ khi có lý thuyết siêu đối xứng, trong nhiều thí nghiệm trên các máy gia tốc và trong ghi đo tia vũ trụ chưa hề tìm thấy một hạt cùng cặp sinh đôi nào để minh chứng cho ý tưởng đó cả. Ở đây cũng có thể có hai khả năng khác nhau: Có thể các hạt siêu đối xứng tác động qua lại với vật chất thông thường rất yếu ớt, nên phải đạt đến năng lượng rất cao chúng mới xuất hiện. Khả năng thứ hai là mô hình vũ trụ hiện nay chưa hoàn thiện và giả thiết có một lượng vật chất tối khổng lồ chỉ là ảo tưởng. Nếu lần này trên hệ đo ATLAS hoặc CMS tìm thấy dù chỉ một hạt siêu đối xứng, thì đó là phát minh còn bất ngờ hơn cả tìm được hạt Higgs. Song theo tôi, niềm hy vọng tìm được hạt siêu đối xứng còn bé nhỏ hơn nhiều so với hy vọng tìm được hạt Higgs. Tuy nhiên đây là quan điểm riêng của tôi, hoàn toàn không có ý muốn làm nhụt chí những đồng nghiệp đang rất nhiệt thành với thuyết siêu đối xứng.

Tìm trạng thái lỗ đen lượng tử

Khái niệm lỗ đen là một hệ quả từ thuyết tương đối rộng của Einstien. Khi khối lượng tích tụ với mật độ khổng lồ vượt quá một giới hạn nào đó thì sức hút (lực hấp dẫn) sẽ làm cho quá trình nén tiếp tục và tạo ra một điểm không gian đặc biệt, giống như lỗ hút của một máy hút bụi công suất cao, khiến cho tất cả vật chất đi đến gần nó đều bị hút tụt vào trong. Ngay cả lượng tử ánh sáng (photon) cũng chịu chung số phận, và ta chỉ có ánh sáng “chiếu” vào trong, mà không có ánh sáng phát ra ngoài. Lý do đó làm cho điểm kỳ dị trở thành tối tăm, không thể nhìn thấy và được mang tên là lỗ đen hoặc hốc đen.

Các lỗ đen lượng tử do Hawking và nhiều nhà vật lý tính toán và dự báo. Chúng có kích thước vi mô, liên quan đến giả thuyết cho rằng, ngoài không gian ba chiều và thời gian một chiều, trong thế giới vi mô có thể còn nhìn thấy các chiều khác của không gian hoặc thời gian. Những chiều này thông thường bị “giấu mặt” hoặc bị “cuộn lại” trong một kích thước vi mô nhỏ như kích thước của các hạt nhân hay hạt cơ bản. Chỉ ở năng lượng rất cao, chúng mới có thể “xuất đầu lộ diện” trong một thời điểm chớp nhoáng như trong va chạm hai hạt proton năng lượng rất cao trên hệ gia tốc LHC ở CERN. Cụ thể, khi hai proton ép sát vào nhau giống như sự nén làm tăng mật độ vật chất hạt nhân vượt trên giới hạn tạo ra lực hút của “lỗ đen”. Tuy nhiên, đây chỉ là những lỗ đen mini. Chúng có thể phát sinh, tồn tại và phân rã nhanh chóng thành các hạt cơ bản khác.

các hạt cơ bản khác. khi có những tác động mạnh tại vùng gần mép biên lỗ đen, khiến cho cùng lúc với phân nửa số hạt trong các cặp này bị hút tụt vào trong thì còn một nửa số hạt chạy theo hướng ngược lại, tức là phát ra ngoài lỗ đen. Kết quả là chúng ta có thể nhìn thấy những bức xạ phát ra, đồng nghĩa như là lỗ đen đã được “chiếu sáng”. Điều đó cũng tương đương sự phân rã và bức xạ do lỗ đen gây ra, dẫn đến việc các lỗ đen mini này chỉ tồn tại trong thời gian cực ngắn, giống như nhiều loại hạt vi mô hình thành trong các phản ứng hạt nhân ở năng lượng cao.

Cơ hội cho các bạn trẻ Việt Nam tham gia dự án nghiên cứu cơ bản tại CERN

Chương trình nghiên cứu trên LHC của CERN sẽ kéo dài hàng chục năm. Bởi vì đây là những thí nghiệm rất phức tạp, xác Chương trình nghiên cứu trên LHC của CERN sẽ kéo dài hàng chục năm. Bởi vì đây là những thí nghiệm rất phức tạp, xác Như vậy, mọi công việc nghiên cứu đòi hỏi nhiều thời gian, vừa tinh thông, vừa tỉ mỉ, kiên trì. Mặt khác, chi phí cho dự án gia tốc đối chùm và các hệ đo lên đến gần 10 tỷ USD, đó là một lượng kinh phí khổng lồ đầu tư cho khoa học, không dễ gì “tiêu” hết trong một thời gian ngắn.

Thực tế này đòi hỏi cần rất nhiều nhà vật lý tham gia vào chương trình nghiên cứu, vì dung lượng các số liệu thu được rất lớn và rất phức tạp. Người ta thậm chí còn lập ra một mạng Internet chuyên dụng gọi tắt là mạng GRID để liên kết các viện nghiên cứu, trường đại học trên toàn thế giới nhằm cung cấp số liệu đo được tại các hệ đo của CERN và tạo điều kiện cho tất cả các nhà khoa học có thể tham gia nghiên cứu, xử lý số liệu, mà không cần phải trực tiếp đến CERN.

Hiện nay đã có một số TS trẻ và nghiên cứu sinh Việt Nam tham gia vào các nhóm nghiên cứu của CERN. Tôi đã gặp hai TS trẻ (bảo vệ TS ở Pháp), đó là Vũ Anh Tuấn đang làm trực tiếp cho nhóm ATLAS và Lê Đức Ninh là Postdoc của một nhóm các nhà khoa học Đức đang tính toán các quá trình sinh hạt Higgs trên hệ gia tốc đối chùm LHC. Vài người khác thuộc các nhóm của Pháp, Mỹ... thỉnh thoảng mới đến CERN.

Tại Việt Nam, hiện chưa có nhóm nghiên cứu chính thức phối hợp với CERN, nhưng được sự ủng hộ của các viện nghiên cứu, trường đại học của Pháp, Thụy Sỹ, hiện có một số chuyên gia và nghiên cứu sinh ở Viện Vật lý (nhóm của TS Nguyễn Anh Kỳ) và ở Khoa lý - Trường Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội (nhóm của TS Nguyễn Mậu Chung) đang cố gắng xây dựng các nhóm Việt Nam, với quy mô mỗi nhóm từ 5 đến 10 thành viên, để có thể thường xuyên tổ chức nghiên cứu trong nước và cử người sang CERN.

Rõ ràng, chương trình thí nghiệm trên LHC là một chương trình nghiên cứu cơ bản tiền tuyến của vật lý hiện đại (frontiers of physics). Nó vừa là vật lý hạt cơ bản, vừa là vật lý thiên văn và vũ trụ học. Chưa thể khẳng định những dự báo lý thuyết có được tìm thấy trong thí nghiệm sắp tới hay không. Nhưng dù kết quả thí nghiệm như thế nào thì cũng đều sẽ cho những thông tin vô cùng giá trị. Bởi vậy, nếu các đồng nghiệp Việt Nam được tham gia vào chương trình này thì đó là một niềm vinh dự và hạnh phúc lớn. Nó sẽ giúp thế hệ trẻ Việt Nam tiếp cận với khoa học hiện đại, từ đó, mở rộng tầm nhìn và tôi luyện bản lĩnh dám dấn thân sánh ngang hàng với các đồng nghiệp quốc tế để khám phá những chân trời kiến thức mới. Việt Nam muốn trở thành một quốc gia văn minh thì không chỉ cần nền kinh tế công nghiệp phát triển, đời sống vật chất đầy đủ, mà phải có cả nền văn hoá - khoa học tiên tiến. Điều đó phải được tiến hành xây dựng cùng lúc, chứ không thể chờ đợi đến khi có đủ kinh phí và điều kiện vật chất như một số người lầm tưởng.

Để nghiên cứu những lĩnh vực khoa học cơ bản tốn kém và phức tạp như vật lý hạt cơ bản, vật lý thiên văn, tia vũ trụ... thì không chỉ Việt Nam, mà các nước công nghiệp đã phát triển cũng phải hợp tác tạo thành những tập thể khoa học quốc tế, trong đó sẽ có các cá nhân hoặc nhóm các nhà vật lý của từng viện, trường của các quốc gia khác nhau tham gia. Thiết bị lớn (như máy gia tốc và các hệ đo) sẽ là tài nguyên chung do tất cả các nước thành viên cùng góp công và đóng kinh phí để xây dựng và vận hành khai thác. Cơ chế này đang được áp dụng trong vận hành ở các dự án nghiên cứu tại CERN (hay như ở dự án Pierre Auger về tia vũ trụ mà nhóm chúng tôi ở Hà Nội đang tham gia). Như vậy, nhóm Việt Nam nếu sau này được hình thành chính thức để tham gia thí nghiệm trên hệ gia tốc đối chùm LHC sẽ phải nghiên cứu và đào tạo trong nước, khai thác tối đa các số liệu và thông tin của CERN cung cấp qua mạng GRID, đồng thời phải có kinh phí để thỉnh thoảng cử người đi CERN trực tiếp tham gia vận hành thiết bị và nghiên cứu cùng các đồng nghiệp quốc tế. Hiện nay, chưa có nhóm nào ở Việt Nam có đầy đủ điều kiện để hoạt động như vậy với CERN. Hy vọng các nhóm ở Viện Vật lý và Trường Đại học Khoa học tự nhiên hay một nhóm tại Tp Hồ Chí Minh trong tương lai sẽ từng bước đạt được năng lực cần thiết. Trong trường hợp đó, thiết nghĩ Bộ Khoa học và Công nghệ cần có một khoản kinh phí để đóng niên liễm cho các thí nghiệm và giúp cho các nhóm này hàng năm có thể cử người đi làm việc vài tháng tại CERN. Số kinh phí hàng năm phải đạt khoảng 2-4 tỷ đồng cho mỗi nhóm, một nửa để làm kinh phí duy trì nghiên cứu (bao gồm cả tiền lương) cho cả nhóm và một nửa để đóng góp cho dự án thí nghiệm quốc tế như là nghĩa vụ bình đẳng. Hoạt động này phải được duy trì ổn định hàng chục năm. Có như vậy mới xứng với tầm cỡ những nghiên cứu khoa học lớn tiền tuyến.

_______________

* Nguyên Viện trưởng Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân (Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam - Bộ Khoa học và Công nghệ), sáng lập nhóm Vật lý Tia vũ trụ Vietnam-Auger từ năm 1995.