Tương lai của vật lý

Máy LHC - Máy va chạm Hadron lớn

Một tập thể mạnh các nhà khoa học trên thế giới đang chuẩn bị khởi động một thiết bị siêu hiện đại, chưa từng có trong lịch sử vật lý: Máy LHC.

Chiếc máy khổng lồ này sau 9 năm xây dựng, được hy vọng sẽ bắt đầu hoạt động vào cuối năm nay (2008). Hình 1 là sơ đồ của LHC và hình 2 là vị trí đặt LHC (gần biên giới Pháp - Thụy Sĩ). Đây là một máy gia tốc có cấu trúc hướng hai chùm hadron (hadron là các hạt nặng) va chạm nhau ở vùng năng lượng tera (TeV - tera electron-volt = 10 ¹²eV).

Máy LHC sẽ thực hiện một cuộc cách mạng trong tương lai của vật lý. Những vấn đề mà LHC có thể giúp các nhà vật lý làm sáng tỏ sẽ được trình bày trong phần thứ ba của bài này.

Dự án máy ILC - Máy va chạm thẳng quốc tế

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 Bản.

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

Những vấn đề lớn mà các nhà vật lý kỳ vọng có được câu trả lời nhờ máy gia tốc LHC gồm:

Không kể máy LHC sẽ phát hiện ra những hiện tượng gì, nhưng LHC nhất định sẽ đưa vật lý vào một kỷ nguyên mới.

Điều gì đã phá vỡ đối xứng điện yếu:Tương tác yếu trong phân rã bêta chỉ tác động lên các hạt trái (left-handed) ¹. Thật là một điều kỳ lạ. Đối xứng giữa các hạt trái xác định lý thuyết điện yếu (electroweak).

Một yếu tố quan trọng trong lý thuyết điện yếu là sự phá vỡ đối xứng và cần thiết phải có hạt Higgs (đặt theo tên của nhà vật lý Peter Higgs, người đã đưa hạt này vào vật lý năm 1960) để tạo ra khối lượng cho các hạt. Như vậy, một số hạt thu được khối lượng thông qua tương tác với hạt Higgs thay vì sở hữu khối lượng một cách nội tại, người ta xem hạt Higgs như chiếm đầy không gian và tương tác với các hạt khác (hình 4). Lý thuyết điện yếu chưa tính được khối lượng của hạt Higgs ². Nhiều bài toán trong vật lý các hạt cơ bản và vũ trụ học gắn liền với câu hỏi lý thuyết điện yếu đã bị phá vỡ đối xứng như thế nào?

Khi được hỏi xây dựng LHC để làm gì? Các nhà vật lý thường đưa ra câu trả lời: Tìm hạt Higgs, song thực tế ở đây, vấn đề rộng hơn nhiều. Những khám phá do LHC đem lại sẽ thay đổi bộ mặt của vật lý đương đại và có tác động đến các khoa học khác (như vũ trụ học) trong tương lai.

Liệu có tồn tại những lực mới:Theo tính toán của Benjamin W. Lee, Harry B. Thacker và Chris Quigg, tồn tại một ngưỡng trị số cho khối lượng của hạt Higgs: Nếu khối lượng đó nhỏ hơn 1 TeV thì tương tác yếu vẫn yếu ở vùng năng lượng cao, ngược lại thì tương tác yếu sẽ mạnh lên. Ngưỡng năng lượng này chứng tỏ rằng, ngoài khả năng về sự tồn tại hạt Higgs còn một khả năng khác về một hiện tượng vật lý mới, đây là điều mà LHC sẽ giúp trả lời.

Một vấn đề khác là liệu hạt Higgs có phải là hạt cơ bản hay không? Hay hạt Higgs cũng được cấu tạo bởi những hạt khác cơ bản hơn (lý thuyết technicolor - đa sắc). Người ta hy vọng LHC cũng sẽ tìm ra những hạt cơ bản mới này.

Các chiều dư của không - thời gian (Extra dimension):Một vấn đề lý thú khác, đó là sự tồn tại những chiều dư của không - thời gian. Theo lý thuyết siêu dây thì ngoài không - thời gian 4 chiều còn tồn tại 6 đến 7 chiều nữa gọi là chiều dư. Không gian các chiều dư có thể có nhiều dạng (nhiều tôpô): Hình cầu, hình xuyến, hai hình xuyến giao nhau tạo nên những tay quai (handles)... (hình 6).

Kết luận

Tiến vào vùng năng lượng TeV có nghĩa là bước vào một thế giới vật lý thực nghiệm mới trong tương lai. Máy gia tốc LHC sẽ giúp làm sáng tỏ nhiều vấn đề cơ bản của vật lý: Mẫu chuẩn và sự phá vỡ đối xứng của nó, hạt Higgs, vật chất tối, các lực mới, hệ thứ bậc khối lượng, các chiều dư của không - thời gian.

Một thế giới mới đang chờ chúng ta với máy gia tốc khổng lồ LHC!

_________

Chú thích:

¹Hạt trái là những hạt có spin luôn hướng ngược với chiều chuyển động.

²Đã 40 năm trôi qua kể từ ngày bài báo của Peter Higgs được công bố, hạt boson Higgs - một hạt giả tưởng tối cần thiết, không thể thiếu được cho vật lý hiện đại - vẫn còn là một hạt bí hiểm!

³Vũ trụ có 4 thành phần: Năng lượng tối (dark energy) gây lực đẩy; vật chất tối (dark matter) gây lực hút; các sao, các thiên hà và cuối cùng là các bức xạ. Vật chất tối có thể là một loại vật chất mà chúng ta chưa hề biết đến. Nhiều nhóm các nhà vật lý đã được thành lập để tìm kiếm, phát hiện vật chất tối như: Nhóm CDMS (Cryogenic Dark Matter) của Đại học Stanford (California, Mỹ); nhóm DAMA (Dark Matter Experiment) của Trung Quốc - Ý và nhiều nhóm khác với những thiết bị hiện đại thường được đặt sâu dưới lòng đất để loại bỏ phông nhiễu loạn ngoại lai. 70 năm đã trôi qua mà bài toán vật chất tối - một trong những bài toán cơ bản của vật lý - vẫn chưa có lời giải!

⁴Có 6 loại quark: Up, down, strange, charm, bottom/beauty và top, dịch ra tiếng việt là: Trên, dưới, lạ, duyên, đáy/đẹp và đỉnh. Những hạt quark này cấu tạo nên các hadron (hạt nặng). Hiện nay, người ta đang chú ý nhiều đến hạt quark đỉnh. Hạt quark này được phát hiện lần đầu tiên vào những năm 80 trên máy Tevatron của Phòng thí nghiệm Fermilab, một phòng thí nghiệm năng lượng cao ở gần Chicago . Khối lượng của hạt Higgs liên quan nhiều đến khối lượng các hạt boson “W”, “Z“ và quark đỉnh (top quark).

Nguồn: T/c Hoạt động khoa học, 5/2008