Tìm hạt bé nhất từ máy gia tốc lớn nhất thế giới

Tôi gọi sau đây là hệ máy gia tốc đối chùm. Nó thiết kế theo một kênh tròn đường kính 27 km chạy ngầm dưới đất quanh vùng thành phố Geneva, Thuỵ sĩ, nơi có Trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN), tại đây có vài nghìn chuyên gia đang làm việc thường xuyên và còn vài nghìn người liên kết từ các viện trường trên toàn thế giới.

Trong kênh gia tốc đó có 2 chùm hạt proton (là một loại hạt hadron phổ biến nhất) chạy theo chiều ngược nhau, được gia tốc đến năng lượng cao để khi va chạm 2 proton của 2 chùm với nhau thì có một sự phá vỡ hạt nhân với năng lượng phát sinh cao hơn 14 TeV (=14. 1012 eV).

Tại điểm va chạm, người ta thiết kế lắp đặt thiết bị đo khổng lồ (detector), để khi các tia sinh ra trong cú va chạm khi 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 đang hoặc đã lắp xong 04 hệ đo ATLAS, CMS và LHCb, ALICE . Lúc tôi đến thăm ATLAS hồi tháng 3/2008 thì họ vẫn đang lắp ráp trong 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 5-10 năm qua. Trong đó lớn nhất là 2 hệ ATLAS và CMS có nhiệm vụ là tìm những phát hiện hoàn toàn mới trước đây chưa biết hoặc chưa có điều kiện để thí nghiệm.

Hai hệ đo này có cấu tạo khác nhau nhưng sẽ cùng phối hợp thí nghiệm song hành để tìm những kết quả giống nhau hoặc liên quan để 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 ALICE và LHCb nhỏ hơn, chủ yếu để nghiên cứu bổ sung cho những kết quả đã biết trước đây trên các máy gia tốc năng lượng thấp hơn.

Về chương trình nghiên cứu của CERN thì rất lớn và nội dung đa dạng và phức tạp. Nhưng ưu tiên hàng đầu là các nội dung sau đây:

Tìm hạt Higgs: đây là một hạt giả thiết, sinh ra trong một cơ chế tương tác qua lại với các hạt cơ bản nguyên thuỷ để các hạt này có khối lượng như chúng ta đã đo được. 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 và theo những khuôn khổ hạn chế do các số liệu thực nghiệm qui định, người ta vẫn phải tính toán dựa theo nhiều giả thiết khác nhau nên 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 sẽ lên trên 200 lần hoặc hơn nữa. Khác với các máy gia tốc trước đây chưa đủ năng lượng để sinh ra Higgs, trong máy LHC do va đập của 2 proton đạt trên 14 TeV nên bây giờ chúng ta có một khoảng năng lượng hơn, đủ để hy vọng. Song, biết đâu khối lượng Higgs còn lớn hơn thế nhiều thì chắc gì lần này đã thấy được nó ngay cả trên LHC!

Mặt khác 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 trong mô hình chuẩn. Nếu vậy thì chắc chắn 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 cơ học Newton chỉ giới hạn ở vận tốc nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng. Vì vậy lý thuyết hạt cơ bản có một lối mở để đi tiếp đến một chân trời mới. Điều đó không kém phần thú vị, nếu không muốn nói là còn thú vị hơn cả việc tìm được Higgs phù hợp với dự đoán của lý thuyết có sẵn !

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 thực nghiệm được.

Nếu tìm được hạt Higgs tức là ta đang trả lời một câu hỏi “khối lượng là gì?”, tưởng như dễ hiểu, nhưng thực chất lại chẳng ai trả lời được từ trước đến nay. 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 trên hệ gia tốc LHC.

Tìm các hạt siêu đối xứng: Đây là các hạt 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 (thí dụ hạt điện tử) và bozon (thí dụ hạt lượng tử ánh sáng) có cùng nguồn gốc cha mẹ. Nếu quả vậy thì cứ mỗi hạt mà ta đã biết đều phải có hạt- “anh chị em sinh đôi” nhưng với tính cách rất khác nhau ! Giả thuyết này cũng rất logic về toán học, nhưng rất đáng ngờ về vật lý.

Thực sự suốt 30 năm nay, kể từ khi có lý thuyết đó, các thí nghiệm trên 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. Nếu lần này trên hệ ATLAS hoặc CMS tìm thấy chỉ một hạt siêu đối xứng, thì đó là phát minh còn bất ngờ hơn là tìm được hạt Higgs. Theo tôi, niềm hy vọng tìm được hạt siêu đối xứng bé nhỏ hơn nhiều so với hy vọng về 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: Lỗ đen là một giả thuyết hệ quả từ thuyết tương đối rộng của Einstien. Khi khối lượng tích tụ với mật độ khổng lồ 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 lương tử ánh sáng 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 đên hoặc hốc đen.

Lỗ đen vĩ mô là các đối tượng thiên văn đang được tìm kiếm. Dường như bắt đầu có một số hiện tượng thực nghiệm cho thấy ở các trung tâm thiên hà phải có các lỗ đen khổng lồ, thí dụ trung tâm Ngân Hà của chúng ta có thể có lỗ đên nặng hơn mặt trời vài triệu lần, còn ở trung tâm các hoạt tâm thiên hà (AGN) thì có thể lỗ đen còn nặng hơn mặt trời trên 300 triệu lần. Tuy lỗ đen có vẻ đáng sợ, nhưng thực ra nếu có thật các lỗ đen thì chúng ta vẫn cùng tồn tại với chúng đã bao đời nay.

Đó là vì lực hấp dẫn chỉ mạnh khi đên gần lỗ đen, còn ra xa thì chúng yếu rất nhanh theo tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Rất có thể, sự tồn tại của các lỗ đen là cần thiết để cho vũ trụ cân bằng, thí dụ, với khối lượng khổng lồ của mình, lỗ đen ở trung tâm các thiên hà có thể đóng vai trò như mặt trời hút các hành tinh quanh nó, như vậy lỗ đen giữ cho thiên hà được hình thành, vận hành và tồn tại cân bằng lâu dài.

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 3 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 thương 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 2 proton ép sát vào nhau, nó giống như khi xảy ra 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 thành các hạt cơ bản khác.

Thật ra lỗ đen theo hiểu biết lượng tử hiện đại đã không còn “tối tăm” như trước, bởi vì các cặp hạt và phản hạt có thể sinh ra 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 này 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.

Nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến hạt quark b trên hệ đo LHCb. Chữ b là bottom=đáy (hoặc beauty=đẹp) là tên đặt cho loại quark thứ 5 trong bảng phân loại. Nó đã được nghiên cứu trong lý thuyết hạt cơ bản theo mô hình chuẩn và được chứng minh trong các thí nghiệm tại các máy gia tốc ở năng lượng thấp hơn. Sắp tới, với năng lượng của hệ gia tốc LHC, chúng ta có thể tăng thêm những bằng chứng thực nghiệm chính xác hơn. Hướng nghiên cứu này chỉ là ưu tiên hạng 2 trong chương trình của CERN trên hệ gia tốc LHC.

Thật ra chương trình này còn nhiều nội dung, nhưng trong bài này, chúng ta tạm thoả mãn với những thông tin chính đã đề cập.

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 suất có các hiện tượng mới là rất nhỏ, rất khó xử lý số liệu thô để bóc tách những hiệu ứng thật ra khỏi các can nhiễu giả. Như vậy mọi công việc 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 tỉ USD, đó là một món đầu tư không lồ cho khoa học, vì vậy không dễ gì “tiêu” hết chúng trong một thời gian ngắn.