Ngoài mô hình tiêu chuẩn

Các nhà vật lý hạt cơ bản đang nỗ lực hết mình để tìm ra những hòn đá tảng của vật chất và miêu tả những tương tác đã liên kết chúng: một loạt các chỉ dẫn cần thiết để kiến tạo nên toàn bộ vũ trụ. Hàng loạt các chỉ dẫn chính xác và cô đọng nhất (mà chúng ta tin) được tóm gọn trong một lý thuyết trường lượng tử gọi là Mô hình chuẩn, ở đó, vũ trụ được mô tả là cấu tạo từ 6 loại quark và 6 loại lepton liên kết với nhau bởi 3 lực cơ bản: lực yếu, lực mạnh và lực điện từ. Trong khi mô hình này vẫn chưa được hoàn chỉnh - nó vẫn không hợp nhất hấp dẫn, bởi vì tương tác này rất yếu - nhưng nó đã mô tả thành công các số liệu thực nghiệm trong các máy gia tốc hạt ở những năm cuối cùng của thế kỷ 20.

Tại sao các nhà vật lý đang nỗ lực cố gắng cho việc tìm kiếm những cái mà họ gọi là “Vật lý bên ngoài Mô hình chuẩn”, mà ở đó gợi ý những hạt và lực hoàn toàn mới? Liệu Mô hình chuẩn có đứng vững theo sự kiểm định của thời gian và sẽ được xác minh sự tồn tại? Theo một ý nghĩa nào đó, nó cung cấp những cơ sở cho tính toán và những kết quả đó trùng khớp với các số liệu thực nghiệm khá tốt. Tuy nhiên, sự trùng hợp đó chỉ xảy ra khi chúng ta tăng thêm một hạt cho các quark và lepton. Không có nó, Mô hình chuẩn sẽ kết thúc việc tiên đoán những khả năng lớn hơn - khá giống một kết quả vô lý và chắc chắn. Nó giống như khi chúng ta đang cố gắng tính toán góc mà một quả bóng nảy ra khỏi bức tường và thay vì tìm ra lý thuyết tiên đoán một số vô hạn những quả bóng nảy ngược lại chúng ta: Đó là một sự điên khùng. Tình huống này tương tự như “ tai biếntử ngoại” trong vật lý cổ điển ở cuối thế kỷ 19, khi lý thuyết tiên đoán những khả năng vô hạn cho sự phát xạ những bước sóng ánh sáng năng lượng cao. Ngược lại sau đó, “bế tắc” này đã chỉ ra một con đường tới cơ học lượng tử. Ngày nay, sự vô hạn trong Mô hình chuẩn chỉ ra một mảnh ghép còn thiếu, một hạt mới không giống bất cứ một hạt nào đã biết cả trong thực nghiệm lẫn lý thuyết, nó được đặt theo tên của người đã phát minh ra nó - boson Higgs.

Cho đến nay người ta chưa từng quan sát thấy boson Higgs, và cũng chưa hề tạo ra boson Higgs trong các máy gia tốc để nghiên cứu chúng. Thậm chí không thể chắc chắn rằng, Higgs bosonnày thực sự có mặt trong vũ trụ, hoặc ít nhất hiện diện trong một dạng đơn giản mà ở đó nó được đề cập trong Mô hình chuẩn. Chúng ta có thể bắt đầu chắc chắn rằng, Higgs hoặc không gì cả, có một vài thứ ở bên ngoài Mô hình chuẩn và đóng một vai trò gì đó có những ảnh hưởng gián tiếp của nó bắt đầu có thể ghi nhận. Các hiệu ứng lượng tử nối kết khối lượng của boson w với khối lượng của các quark; vì quark t (top) có khối lượng rất lớn, nó có một tác động có thể ghi nhận được trên boson w. Mức độ của tác động này phụ thuộc vào boson Higgs. Trên thực tế, khối lượng của boson w tìm được bị dịch về phía trên chính xác trong hướng được mong đợi từ ảnh hưởng của một boson higgs; nếu không có boson Higgs khối lượng của boson W sẽ nhỏ hơn một chút giá trị mà chúng ta đo được.

Tuy vậy, mô hình chuẩn cộng thêm với Higgs liệu đã trở thành một lý thuyết hoàn chỉnh hay chưa? Về mặt toán học nó có thể phù hợp nhưng không thanh thoát- những hiệu ứng cơ học lượng tử có thể định hướng làm khối lượng của boson higgs cực kỳ lớn, trong khi những bằng chứng (gián tiếp) tốt nhất của chúng ta lại không phản ánh như thế; thực tế, nó nằm ngoài sự tìm hiểu trong những phép đo thực nghiệm gần đây nhất của chúng ta. Quan trọng hơn, Mô hình chuẩn không bao gồm những hạt với những tính chất đúng đắn đối với dạng của vật chất tối mà có vẻ như tràn ngập vũ trụ. Có những cuộc tranh luận mạnh mẽ dựa trên các quan sát thiên văn và vũ trụ học rằng vật chất tối được cấu tạo từ các hạt nhưng không phải là bất cứ hạt nào trong Mô hình chuẩn. Một sự ám chỉ thú vị là Mô hình chuẩn thực sự là một sự mô tả đẹp, nhưng chỉ mô tả được khoảng 5% vũ trụ ( phần nhỏ này được cấu tạo bởi các quark và lepton). Một ý kiến được đề xuất phổ biến trong suốt cả hai cuộc tranh luận này là đưa Mô hình chuẩn vào trong một lý thuyết lớn hơn, lý thuyết siêu đối xứng. Về mặt toán học siêu đối xứng có thể giải quyết tranh cãi về khối lượng của boson Higgs. Nếu siêu đối xứng làm sáng tỏ sự thật thì mỗi loại hạt sẽ có một loại hạt mới - siêu hạt - với những tính chất tương tự nhưng khối lượng lại lớn hơn nhiều. Những siêu hạt nhẹ nhất có thể rất ổn định, và một số lớn chúng tiếp tục đang trôi nổi trong vũ trụ của chúng ta- các hạt và siêu hạt này được sinh ra từ thời khắc ban đầu của Big Bang, trong một con số cân bằng. Những hạt có khối lượng lớn, sau đó, có thể tạo nên vật chất tối.

Cách duy nhất để giải quyết câu hỏi giống như câu hỏi này là thực nghiệm chúng ta không biết liệu có một higgs đơn giản, hoặc một vài thứ gì đó phức tạp hơn nhiều. Chúng ta không thể nói về mặt vũ trụ học liệu vật chất tối được tao nên từ các hạt siêu đối xứng hay không? Chúng ta cũng không thể lý thuyết hoá hoặc tính toán theo cách thức của chúng ta để có được câu trả lời: chúng ta phải kiểm nghiệm tự nhiên một cách trực tiếp, hay sử dụng các máy gia tốc.

Bằng việc cho các hạt va chạm vào nhau ở một mức năng lượng rất cao. Chúng ta tập trung một lượng cực lớn năng lượng ở một điểm đơn lẻ trong không gian. Điều này sẽ cho phép tự nhiên nói cho chúng ta cái mà nó đang cất giữ. Chúng ta có thể mang tới cuộc sống tất cả các loại hạt cơ bản và lực mà đã vốn có trong các phương trình mô tả vũ trụ, nhưng chúng ta lại không thể nhìn thấy chúng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.

Có một khía cạnh trên người tất cả điều này. Nếu không như thế, chúng ta có thể chắc chắn về “vật lý bên ngoài mô hình chuẩn”: Điều này có thể bắt đầu trở nên sáng sủa, vì Mô hình chuẩn không chấp nhận hấp dẫn hoặc giải thích khối lượng của neutrino. Cái gì đang trên ngươi, có thể chắc chắn là “vật lý bên ngoài Mô hình chuẩn”. Điều này đang trở nên thật gần gũi- chỉ ở đâu đó xung quanh đoạn cong của con đường. Với những mức năng lượng chúng ta đã khám phá ra trong các máy gia tốc có thể cho phép tạo ra những hạt có khối lượng mà chúng ta hy vọng là những siêu hạt. Các máy gia tốc của chúng ta có thể tạo ra mức năng lượng của trường Higgs và khối lượng mà chúng ta hy vọng là yếu tố cấu thành nên vật chất tối, dựa trên những tranh luận khá phổ biến trong vũ trụ học.

Chương trình thực nghiệm này đang được tiến hành, chẳng hạn ở Fermilab. RunII của Tevatron đưa ra khả năng thực sự để khám phá ra vật lý ngoài Mô hình chuẩn: Trong một hội nghị quốc tế diễn ra vào mùa hè 2004, với thí nghiệm D 0(zero), chúng tôi đã trình bày một nghiên cứu rất nhạy mới cho việc tìm kiếm các siêu hạt. Chúng tôi đã tìm thấy cả hai loại hạt quark siêu đối xứng và gluon siêu đối xứng, được chỉ ra như một sự kiện với đuôi năng lượng cao (hình vẽ), và cho cả những người họ hàng siêu đối xứng của hạt W và Z mà đã được chỉ ra trong máy dò hạt của chúng tôi như một tốc độ cao không được chờ đợi của electron, wuon và lepton tau. Trong trường hợp khác, chúng tôi cũng chờ đợi một sự không cân bằng đáng kể của mô men động lượng quan sát thấy trong máy dò, mà ở đây, được chỉ ra bằng mũi tên màu xanh. Chúng tôi quan sát thấy sự không cân bằng này bởi vì những siêu hạt nặng không ổn định bị phân huỷ và một trong những sản phẩm phân huỷ của chúng là siêu hạt nhẹ nhất không tìm thấy và trung hoà: vật chất tối. (Nếu điều này thực sự đang xảy ra, thì Tevatron đang thêm vào trong vũ trụ những lượng nhỏ vật chất tối – nhưng đừng lo lắng bởi vì nó không thể tạo ra bất cứ một sự khác biệt nào). Những đồng nghiệp của chúng tôi trong thí nghiệm CDF đang thực hiện một chương trình tương tự của việc phân tích. Không có thí nghiệm nào có thể được quan sát trong bất cứ một sự chỉ dẫn rõ ràng nào về các hạt mới, nhưng những nghiên cứu đang bắt đầu để khám phá ra những điều thú vị nhất, và các nhà vật lý đang bị kích thích bởi những nghiên cứu này: Tevatron đang thực hiện rất tốt, và đang làm phong phú thêm rất nhiều số liệu. Nhiều số liệu đồng nghĩa với việc tăng cường độ nhạy và khả năng để khám phá xa hơn, sâu hơn.

Tevatron sẽ hoạt động ít nhất cho đến năm 2009 và đã đưa ra cơ hội rất tốt để tạo ra những khám phá cách mạng hoá vật lý hạt. Một cơ hội tốt có thể cho những khám phá thú vị, nhưng nó không phải là một sự bảo đảm. Tự nhiên có thể có một tập hợp các khối lượng của những hạt này một chút cao hơn chúng ta vẫn nghĩ, hay những hiệu ứng của chúng có thể bị triệt tiêu theo một cách thức bí ẩn nào đó. Chúng ta không thể làm được gì nhiều ở Tevatron nếu những điều này thật sự xảy ra,nhưng trong một cuộc đua dài hơi hơn một chút, chúng ta có thể chắc chắn rằng thậm chí những hiệu ứng như vậy khó thoát khỏi sự ghi nhận của máy đo. Máy va chạm Hadron lớn (LHC), đang được xây dựng tại CERN, Thuỵ sĩ, sẽ có đủ năng lượng va chạm và chắc chắn sẽ giúp mở toang cánh cửa dẫn đến thang năng lượng của Vật lý bên ngoài mô hình chuẩn.

Chúng ta chưa biết những cái mà chúng ta tìm một khi chúng ta chưa mở toang cánh cửa đó ra. Nhiều khả năng, một điều lạ lẫm và thú vị sẽ được chỉ ra trong các máy dò của chúng ta, khác xa mô hình đơn giản của chúng ta về một hạt Higgs và siêu đối xứng. Thậm chí, có những sự gợi ý nghiêm túcrằng những chiều mới của không gian có thể được mở ra. Dù thế nào đi chăng nữa, toàn bộ thế giới của những hạt và tương tác mới đang chờ được khám phá. Chúng ta cùng nhìn lướt qua thế giới đó sớm thì càng sớm cho chúng ta bắt đầu kế hoạch để làm sao khám phá ra nó chi tiết, mà nó sẽ rất giống với việc đòi hỏi xây dựng máy va chạm positron - electron năng lượng cao có khả năng thực hiện được những phép đo chính xác của tất cả những hạt mới và tính chất của chúng.

Để tổng kết lại, chúng ta đã có những hiểu biết rất chi tiết về các hạt trong Mô hình chuẩn tương tác, nhưng chúng ta biết rằng những hiểu biết này là chưa hoàn thiện. Nó chỉ miêu tả được khoảng 5% vũ trụ của chúng ta. Chúng ta biết thang năng lượng xấp xỉ mà ở đó các hạt mới- mà chúng ta tin bao gồm cả những thành phần của vật chất tối vũ trụ - được tìm ra. Máy va chạm Tevatron có một cơ hội tốt để tìm kiếm năng lượng như thế. Nó sẽ trao cho chúng ta một sự kích thích lớn lao về những cái mà chúng ta có thể tìm thấy ngay từ bây giờ cho đến năm 2009. Bất cứ điều gì chúng ta hé mở và khám phá nó sẽ sửa soạn cho một thập kỷ thú vị để khám phá ra thế giới mới mẻ này của những hạt và lực mới, cả LHC và ở máy va chạm tuyến tính quốc tế positron - electron mới (ILC). Tất cả sẽ bắt đầu để đưa cho chúng ta những hiểu biết về 95% còn lại của vũ trụ.

John Womersley làm cố vấn khoa học cho giám đốc hợp tác Về vật lý năng lượng cao của Văn phòng năng lượng, đặt tại Washington, DC. Ông vắng mặt trong 2 năm ở thí nghiệm D0(zero) của Febmilab, sau đó sẽ trở về để tiếp tục kế hoạch của ông về tìm hiểu Vật lý ngoài Mô hình chuẩn.

Nguyễn Đức Cường biên dịch theo “Beyond the Standard Model” của John Womersley, Mag. Symmetry, Vol. 02, 2005 .

Nguồn: Vật lý ngày nay, số 8/2006, tr 3