Nếu hạt Higgs không tồn tại...?

Thế nào là hạt Higgs?

Hạt Higgs là một boson có spin bằng không, do nhà vật lý Scotland Peter Higgs đưa vào lý thuyết năm 1964. Hạt Higgs sẽ tạo ra khối lượng cho các hạt khác khi tương tác với chúng. Như chúng ta biết Mô hình Chuẩn (SM- Standard Model ) thống nhất  tương tác điện từ và tương tác yếu trong một sơ đồ chung song hạt photon truyền tải tương tác điện từ có khối lượng bằng không trong khi đó các boson W và Z truyền tải tương tác yếu lại có khối lượng rất lớn, như vậy đối xứng điện yếu bị phá vỡ và tác nhân phá vỡ đối xứng đó chính là hạt Higgs. Hạt Higgs được nhà vật lý Leon Lederman, giải Nobel 1988 mệnh danh là hạt của Chúa (particule de Dieu) vì sứ mệnh to lớn của nó là tạo ra khối lượng cần thiết cho các hạt, là trụ cột hạ tầng chống đỡ các lý thuyết hiện hành. Nếu hạt Higgs không tồn tại ...?

Máy gia tốc LHC

(Large Hadron Collider- Máy Va chạm Hadron Lớn)

Máy gia tốc LHC có đường kính= 8, 6 km, đặt sâu 175 m dưới mặt đất, gồm 5 thiết bị.

Dự án máy I LC

(International Linear Collider- Máy va chạm thẳng quốc tế)

Ngay trước lúc LHC được khởi động, các nhà vật lý đã có dự án xây dựng tiếp theo một máy gia tốc tên là ILC với độ dài gần 30 km có khả năng thực hiện va chạm của electron và phản hạt positron ở tốc độ gần tốc độ ánh sáng. Mục đích của máy ILC là  giúp các nhà vật lý nghiên cứu tiếp những kết quả khám phá được nhờ LHC.

Hơn 1.600 nhà khoa học từ hơn 300 phòng thí nghiệm và trường Đại học trên thế giới đã cùng hợp tác thiết kế máy ILC. Chi phí cho ILC lên đến 6,7 tỷ USD. Ba địa điểm được chọn để xem xét là: CERN (Geneve), Phòng thí nghiệm quốc gia Fermi ( Batavia ) và một địa điểm ở Nhật.

Những cuộc cách mạng tiếp đến trong vật lý các hạt cơ bản

Sau đây là những vấn đề lớn mà các nhà vật lý kỳ vọng có được câu trả lời nhờ máy gia tốc LHC (và I LC).

Sự truy tìm hạt Higgs đúng là bài toán bản lề. Nhưng sau bài toán này hàm ẩn nhiều bài toán  khác như: vì sao lực hấp dẫn lại yếu hơn các lực khác nhiều đến thế? vật chất tối là gì ? đâu là bản chất của không thời gian? phải chăng vật chất tối là một loại hạt mới? Và điều đáng chú ý là những vấn đề ấy lại liên quan với nhau và với vấn đề hạt HIGGS. Có thể liệt kê cụ thể hơn các vấn đề:

1) Kiểm tra Mô hình Chuẩn & nghiên cứu điều gì đã phá vỡ đối xứng điện yếu: vấn đề trung tâm là tìm hạt Higgs,

2) Phát hiện các hạt siêu đối xứng: theo lý thuyết siêu đối xứng (SUSY- SuperSymetry) ứng với mỗi hạt fermion có spin bán nguyên tồn tại  một hạt siêu đối xứng boson có spin nguyên và ngược lại. Lý thuyết siêu đối xứng quan trọng cho sơ đồ thống nhất 4 loại tương tác (Franck Wilczek, Nobel Vật lý 2004).

 3) Vật chất tối: những hạt WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles-những Hạt có Khối lượng Tương tác Yếu với nhau ) là những hạt suy ra từ siêu đối xứng, hạt nhẹ nhất trong các WIMPs là neutralino có thể là ứng viên của vật chất tối chăng?

4) Liệu có tồn tại các chiều dư (extra dimension) của không thời gian ngoài 4 chiều không gian và thời gian thông thường?

Vì sao  các nhà vật lý hồi hộp và lo lắng?

Trong những năm 1960 và 1970 các nhà vật lý lý thuyết đã xây dựng thành công Mô hình Chuẩn (SM) thống nhất các tương tác yếu, điện từ ( và tương tác mạnh), ngoại trừ hấp dẫn. Song nhiều kết quả tính toán trong khuôn khổ SM dẫn đến những đại lượng phân kỳ (lớn vô cùng) không có ý nghĩa vật lý. Ngoài ra muốn SM đứng vững cần sự tồn tại của hạt Higgs để tạo ra khối lượng cho các hạt.

Khoảng 20 nước đã cùng đóng góp nhiều tỷ Euro để xây dựng nên LHC. Liệu LHC có đem lại những kết quả chờ đợi hay không? Hãy xét những khả năng sau:

A / LHC không tìm ra điều gì mới cả,

B/ LHC chỉ phát hiện được hạt Higgs mà thôi, ngoài ra không phát hiện thêm điều gì khác nữa.

C/ LHC không phát hiện được hạt Higgs nhưng phát hiện được các chiều dư của không thời gian.
Một điều đáng ngạc nhiên là các nhà vật lý xem khả năng B lại là một khả năng mang tính tai biến, vì việc tìm ra hạt Higgs tuy là một thắng lợi lớn nhưng nếu ngoài hạt Higgs chúng ta không tìm ra những điều gì khác thì các nhà vật lý sẽ rơi vào một tình huống bế tắc, một điểm chết (point mort) không biết sẽ phát triển vật lý theo phương hướng nào tiếp theo. Cho nên nhiều nhà vật lý cho rằng thà có khả năng A còn hơn là có khả năng B. Nếu khả năng A được thực hiện thì các nhà vật lý sẽ xem vùng năng lượng của LHC là một vùng năng lượng sa mạc hoang vu (ý nói ở đây chưa có hiện tượng vật lý gì mới) và điều này đòi hỏi nhiều tìm tòi thú vị khác ở vùng năng lượng cao hơn. Khả năng C có thể mở đường cho việc giải quyết vấn đề khối lượng các hạt.

Nếu hạt Higgs không tồn tại song tồn tại các chiều dư (extra dimensions) của không thời gian?
Nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng người Anh Stephen Hawking, tác giả cuốn best-seller Lược sử thời gian đã đánh cược 100 USD rằng hạt boson Higgs sẽ không được tìm ra.

Theo ý tưởng chung thì hạt Higgs là một hạt cơ bản (vậy có spin), song hạt Higgs lại không có spin cho nên trước đây các nhà vật lý đã xây dựng lý thuyết đa sắc (technicolor) mô tả hạt Higgs như là một hạt phức hợp (composite) cấu tạo bởi những hạt techniquark (có spin bán nguyên), giống như cặp Cooper trong siêu dẫn cấu tạo bởi hai electron. Đây cũng là một hướng phát triển đã được chú ý.

Christophe Grojean

Lý thuyết của Grojean và nhiều người khác dựa trên các ý tưởng của Theodor Kaluza & Oskar Klein: thay vì thêm một hạt thì chúng ta thêm một chiều dư (extra dimension) của không thời gian. Như vậy Grojean đã đưa thêm một chiều dư thứ năm vào không thời gian thông thường .

Hạt Higgs xuất hiện trong va chạm của 2 electron

Hạt Higgs không tồn tại thay vì vào đó xuất hiện những boson Z’ , Z” ...(ngoài boson Z ) và các boson W’, W”...(ngoài boson W).

Trong ngữ cảnh đó chúng ta đoán nhận khối lượng của các hạt W & Z là dấu ấn trong không gian 4 chiều để lại bởi xung lượng của chúng trong chiều dư thứ năm. Như vậy ta có không gian 5 chiều (1 chiều dư ) và không thời gian 4 chiều thông thường,  đây chính là tình huống để áp dụng ánh xạ holographic Ad /CFT (xem chú thích[6]).

Hình học mới này tạo nên tất cả các ưu điểm của hạt Higgs mà không gây nên sự bất tiện, khó khăn nào và chưa cầu cứu đến hạt của Chúa, hạt của Chúa đã tan biến trong chiều dư thứ năm.

Andreas Birkedal & Konstantin Matchev (Đại học Florida ) và Maxim Perelstein ( Đại học Cornell) đã chỉ ra phương pháp thực nghiệm trên LHC để phân biệt hai phương án: giả thuyết về hạt Higgs và lý thuyết mới về hình học hyperbolic. Christophe Grojean cho rằng nếu lý thuyết mới là đúng thì hạt Higgs không xuất hiện mà bên cạnh các hạt tương tự như các hạt W & Z sẽ quan sát được nhiều hạt khác với khối lượng lớn hơn, W’, W’’,Z’, Z’’... Máy LHC có thể giúp chúng ta phân biệt hai tình huống sau đây[7]:

Tình huống I

Hạt Higgs tồn tại (xem hình 3): lúc này khi hai electron va chạm nhau, chúng sẽ trao đổi hạt photon (tương tác điện từ), các boson W vàZ (tương tác yếu) và hạt Higgs xuất hiện.       

Tình huống II

Hạt Higgs không tồn tại (xem hình 4 và so sánh với hình 3): khi 2 electron va chạm nhau chúng chỉ trao đổi photon (tương tác điện từ) và các hạt boson Z, Z’, Z’’ ... & các boson W, W’, W’’(tương tác yếu)
Bruno Mansoulie nhấn mạnh rằng lý thuyết mới như vậy khẳng định sự tồn tại của một chiều dư  ngoài 4 chiều không thời gian thông thường. Và nếu lý thuyết về hình học hyperbolic là đúng thì đây sẽ là một trớ trêu của số phận: máy gia tốc khổng lồ LHC xây dựng với mục đích tìm ra hạt Higgs lại là máy gia tốc xây dựng nên để phủ nhận vĩnh viễn sự tồn tại của hạt Higgs.

Kết luận

Hiện nay các nhà vật lý đứng trước một tình huống nhiều ngả đường trong quá trình phát triển vật lý. Những vấn đề khó khăn trước mắt là tìm ra hạt Higgs, các hạt siêu đối xứng, vật chất tối , các chiều dư (extra-dimensions) của không thời gian... Mặt khác các nhà vật lý cũng đang được trang bị một thiết bị lý tưởng là máy gia tốc khổng lồ LHC. Kinh phí rất lớn để xây dựng LHC cũng gây một áp lực lên tâm trạng của các nhà vật lý. Song kinh phí khổng lồ chưa phải là yếu tố quan trọng nhất mà những kết quả khó chờ đợi từ các dữ liệu do LHC cung cấp mới thật sự gây nên tâm trạng lo lắng, hồi hộp của các nhà vật lý: họ đã đi đúng đường? hay họ sẽ bị rơi vào bế tắc vào điểm chết?... Mọi điều đang chờ đợi các nhà vật lý ở phía trước.