Vấn đề hạt Higgs, lý thuyết và thực nghiệm

- Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 Câu 5: Trình bày vấn đề hạt Higgs (lý thuyết và thực nghiệm).
- "Họ cho rằng điều đó không có liên quan gì đến vật lý cả", ông Higgs nói.
- Ông là một nhà vật lý bình thường, và ông cũng chẳng hề phủ nhận điều này.
- Từ đó các nhà khoa học cố gắng chứng minh hạt Higgs với những máy gia tốc hạt ngày càng lớn .
- Trong vài thập kỷ qua, ngành vật lý hạt đã xây dựng được một mô hình lý thuyết chính thống (SM), tạo nên khuôn khổ về sự hiểu biết các hạt và lực cơ bản trong tự nhiên.
- Hạt đi kèm với trường Higgs được gọi là hạt Higgs, hay boson Higgs, theo tên của nhà vật lý Peter Higgs.
- Do đó việc tìm hạt Higgs gắn liền với sự phát triển của các máy gia tốc va chạm hạt, có thể nói là không thể thiếu.
- Vì vậy, quá trình phát triển của các máy gia tốc cũng chính là quá trình tiến gần tới hạt Higgs.
- Do đó theo dõi sự “truy lùng hạt Higgs” cũng chính là theo dõi sự phát triển của nhũng máy gia tốc.
- Dự án được cung cấp kinh phí và chế tạo với sự tham gia cộng tác của trên tám nghìn nhà vật lý của 15 quốc gia cũng như hàng trăm trường đại học và phòng thí nghiệm.
- ATLAS sẽ được sử dụng để tìm kiếm những dấu hiệu vật lý học mới, bao gồm nguồn gốc của khối lượng và các chiều phụ trợ.
- CMS – một bộ phân tích đa mục đích khác, giống với ATLAS, sẽ lùng sục các hạt Higgs và tìm kiếm những manh mối về bản chất của vật chất tối.
- 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 ILC).
- 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 và nghiên cứu điều gì đã phá vỡ đối xứng điện yếu: vấn đề trung tâm là tìm hạt Higgs..
- Manh mối tìm ra hạt Higgs Peter Renton, nhà vật lý hạt thuộc Đại Học Oxford, đã cho công bố phương pháp tiếp cận hạt Higgs của mình trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature.
- Ông cho biết đã lần ra được manh mối về hạt Higgs nhờ các nhà nghiên cứu tại một cơ sở nghiên cứu nguyên tử ở Thụy Sỹ.
- Hạt Higgs có độ bất ổn định rất cao, vì vậy chúng nhanh chóng phân rã khi được tạo ra.
- Tiến sĩ Renton cho biết ông đã có những bằng chứng gián tiếp từ việc quan sát hành vi của các loại hạt khác trong máy va chạm, phù hợp với con số 115 gigaelectronvolt - khối lượng của hạt Higgs [5].
- các nhà vật lý làm việc trong đề tài HyperCP tại Fermilab (Mỹ) đã khẳng định họ có thể vừa có những kết quả ban đầu về Higgs boson.
- Tuy nhiên, để khẳng định này được đúng đắn, Lý thuyết Trường chính thống (SM) của vật lý hạt có thể phải nhường chỗ cho lý thuyết siêu đối xứng.
- Tuy nhiên, các nhà vật lý khi phân tích các số liệu từ thí nghiệm HyperCP ở Fermilab vào tháng 1/2006 đã phát biểu rằng phòng thí nghiệm đã đạt được điều đó lần đầu tiên.
- Mặc dù cần phải cần thêm nữa những bằng chứng so với 3 dữ kiện về HyperCP để có thể thuyết phục khác nhà vật lý tiến đến lý thuyết NMSSM.
- Đây không phải lần đầu tiên các nhà vật lý tuyên bố rằng Higgs như một bộ phận khác của lý thuyết siêu đối xứng.
- Gặp gỡ Blois lần thứ 22 diễn ra từ ngày 15 đến 20-7-2010 đưa ra và phân tích kết quả đầu tiên thu được tại LHC, Gặp gỡ Blois 2010 cũng lắng nghe các báo cáo về những vấn để thời sự khác trong vật lý hạt cơ bản, như về cuộc săn lùng hạt Higgs..
- Hội nghị vật lý hạt và năng lượng cao (HEP-International Conference on High Energy Physics) vừa diễn ra tại Paris, Pháp từ ngày 22 đến ngày 28 tháng 7, năm 2010.
- Tìm hạt Higgs mà không cần LHC Một nghiên cứu đề xuất rằng có thể có một phương pháp rẻ tiền hơn nhiều nhằm tìm ra câu trả lời hạt Higgs, mà không cần đến những cỗ máy gia tốc hạt khổng lồ.
- Theo Marco Taoso thuộc CERN và các đồng sự, các hạt Higgs danh tiếng có thể để lại dấu vân tay của nó trong ánh sáng tạo ra trong những va chạm của vật chất tối.
- nhưng một sự hủy cặp như thế có thể phát ra một photon và một hạt khác, có khả năng là hạt Higgs [16].
- Các nhà nghiên cứu trên khẳng định việc phát hiện ra hạt Higgs này sẽ là vấn đề ghi lại vết tích photon đi cùng với nó với năng lượng phản ánh khối lượng của Higgs.
- Dự án máy ILC (International Linear Collider) 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.
- LÝ THUYẾT III.1.
- Sự ra đời của hạt Higgs trong lý thuyết Hạt Higgs ra đời trong mô hình chính thống, nó giải thích nguyên nhân gây ra khối lượng quán tính.
- hạt Higgs cũng gây ra bất đối xứng trong các nhóm gauge..
- Hạt Higgs (hay chính xác hơn là trường đi cùng với nó – trường Higgs) được cho là lấy khối lượng của chúng thông qua tương tác với một trường phổ biến (trường Higgs), do hạt Higgs mang theo “bám” lên những hạt khác và từ đó cung cấp cho chúng tính chất gọi là khối lượng.
- Hạt Higgs là một boson có spin bằng không [2][3]..
- Tôi muốn biết thứ gọi là hạt Higgs làm gì?".
- Và thú vị rằng, các nhà khoa học lúc đó nảy ra một ý tưởng như thế này: Trong một căn phòng đông người, những người này là hạt Higgs.
- Khi một hạt nào đó di chuyển trong vũ trụ, nó sẽ tương tác với các hạt Higgs..
- Hai ví dụ mà các nhà khoa học nghĩ ra đã khái quát hóa được chính xác chức năng của hạt Higgs.
- Mô hình chính thống (SM - Standard model) của vật lý hạt là thuyết miêu tả về tương tác mạnh, tương tác yếu, tương tác điện từ và những hạt cơ bản tạo nên vật chất.
- Các boson trong Mô hình chính thống là.
- Mô hình chính thống xác định mỗi electron là hạt cơ bản.
- Các thách thức trước mặt của mô hình chính thống Mặc dầu mô hình chính thống đã có một thành công rất lớn trong việc giải thích các kết quả của thực nghiệm, song nó vẫn chưa thể trở thành một thuyết hoàn chỉnh trong vật lý cơ bản.
- Nếu như các định luật vật lý được chứng mình có vị trí phụ thuộc và có thể khác nhau ở các tọa độ đặc biệt trong không gian, điều đó có nghĩa là tất cả các thí nghiệm sử dụng để chứng minh cho mô hình chính thống đều không hợp lệ [1][16].
- Vẫn giải thích được vấn đề khối lượng mà không cần hạt Higgs.
- 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.
- Song nếu hạt Higgs không tồn tại nhưng tồn tại những chiều thêm (extra dimension) của không thời gian thì vấn đề khối lượng các hạt có thể giải quyết được, Christophe Grojean (CEA, Saclay và CERN) đã phát biểu như vậy.
- Ông đã cùng cộng sự xây dựng một lý thuyết mới có nhiều triển vọng để phát triển SM mà không cần đến sự tồn tại của hạt Higgs [7]..
- Như vậy vừa giữ lại được các ưu điểm của SM vừa tạo ra khối lượng cho các hạt mà không cần đến sự tồn tại của hạt Higgs! Trong phổ khối lượng ngoài các hạt W &.
- Năm 2003 các nhà vật lý lý thuyết đã xây dựng mô hình hình học hyperbolic 5 chiều ứng với không gian AdS (anti de-Sitter).
- 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 Higgs, hạt Higgs đã tan biến trong chiều thêm thứ năm.
- 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 &.
- Hạt Higgs tồn tại (hình 6): lúc này khi hai electron va chạm nhau, chúng sẽ trao đổi hạt photon (tương tác điện từ), các boson W và Z (tương tác yếu) và hạt Higgs xuất hiện.
- Hạt Higgs không tồn tại (hình 7): khi 2 electron va chạm nhau chúng chỉ trao đổi photon (tương tác điện từ) và các hạt boson Z, Z’, Z.
- 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.
- Có bao nhiêu hạt Higgs?.
- Đồng tác giả nghiên cứu Adam Martin – một nhà vật lý lý thuyết tại Fermilad cho biết sự khác biệt dù rất nhỏ, chỉ hơn 1% nhưng nó không thể được giải thích bằng mô hình lý thuyết chính thống khẳng định về sự tồn tại của hạt Higgs đơn lẻ.
- Tuy nhiên, những kết quả Dzero có thể được lí giải nếu các nhà khoa học thừa nhận hạt Higgs có năm phần tử - một sự mở rộng về mô hình lý thuyết chính thống gọi là Mô hình cặp đôi 2 hạt Higgs.
- Theo các nhà khoa học, nếu nhiều hạt Higgs tồn tại, chúng có thể tương tác với vật chất một cách khác nhau, điều này có thể dẫn đến nhóm vật lý chưa được khám phá đằng sau Mô hình chính thống.
- “Bước đầu tiên trong kế hoạch mở rộng Mô hình chính thống sẽ là thêm vào nhiều hạt Higgs”, Martin cho biết.
- Nếu nhóm nghiên cứu của Martin đúng và hạt Higgs thực sự là 5 hạt, điều này rồi sẽ được dò ra bởi cỗ máy LHC ở Thụy Sĩ.
- Đồng tác giả nghiên cứu Martin cũng tin tưởng sẽ thấy được những hạt Higgs trong kỉ nguyên của LHC [16].
- David Evans, một nhà vật lý tại ĐH Birmingham kiêm lãnh đạo dự án ALICE của LHC bày tỏ quan điểm trong một email: “Cá nhân tôi nghĩ rằng không có khả năng chúng ta có 5 hạt Higgs khác nhau.
- Cũng có thể có 4 biến thể của hạt Higgs như lý thuyết siêu đối xứng đưa ra.
- Cũng có thể là sự tồn tại của hạt Higgs sẽ được phủ định.
- Alain Connes: dự đoán khối lượng của hạt Higgs và top quark.
- Chamseddine, Alain Connes và Matilde Marcolli đã tranh luận với nhau trong bài báo của họ [16]: Gravity and the standard model with neutrino mixing về việc dự đoán khối lượng của Hạt Higgs và top quark.
- Đây là một công thức mới, đáng để giới vật lý hạt và vật lý dây quan tâm..
- Dưới đây là một vài ý kiến được đưa ra bởi giới Vật lý ở Harvard [16.
- Sẽ không khó để dự đoán khối lượng có thể chấp nhận được của hạt Higgs boson: tất cả các mô hình tốt trong vật lý năng lượng cao đều dẫn đến khối lượng dự đoán của Higgs vào khoảng 115 đến 170 GeV.
- Giáo sư Hosoya Yu [1] thuộc trường Đại học Osaka (Nhật Bản) vừa đưa ra một lý luận mới cho rằng hạt Higgs boson - dùng để xây dựng mô hình lý thuyết chính thống và hạt vật chất tối.
- Theo lý luận hiện nay, hạt Higgs boson rất không ổn định và rất dễ biến dạng thành các hạt khác, trong khi đó hạt vật chất tối là loại hạt chiếm hầu hết khối lượng Trái Đất lại đang rất ổn định..
- Từ giả thuyết này suy luận hạt Higgs boson sẽ không phân rã mà có khả năng đang ở trong trạng thái ổn định và không mang điện, và nó có cùng một vật chất với hạt vật chất tối..
- Theo các phương tiện truyền thông, giáo sư Hosoya Yu đã từng trình bày và miêu tả lý luận mới này của ông cho nhà vật lý Yoichiro Nambu - người đã đạt giải thưởng Nobel vật lý năm 2008 [16]..
- Một vấn đề khác là liệu hạt Higgs có phải là cơ bản hay không hay hạt Higgs cũng được cấu tạo bởi những hạt khác cơ bản hơn (lý thuyết technicolor-đa sắc)..
- Các quy luật vật lý quan sát được trong không gian vĩ mô phụ thuộc vào kích thước và cấu trúc của đa tạp các chiều thêm.
- Hai thiết bị này cùng nhằm nghiên cứu những vấn đề lớn của vật lý tương lai..
- Tóm lại, các nhà vật lý đã tìm nhiều phương cách để tiếp cận hạt Higgs nhưng cho đến giờ (ngày hạt Higgs vẫn chưa được xác nhận đã tìm thấy thông qua thực nghiệm.
- Nhưng nhiều nhà khoa học rất lạc quan trong một hoặc hai năm tới vấn đề hạt Higgs không còn là bí ẩn nữa.
- Ông cho biết các nhà vật lý học tin rằng họ sẽ tìm ra hạt Higgs Boson.
- GS Fabiola Gianotti, nhà vật lý hạt người Italy phụ trách ATLAS, một trong các detector lớn của LHC, cho biết: “LHC là sự khởi đầu của một kỷ nguyên mới, khó tưởng tượng nổi trong vật lý học.
- chúng ta hy vọng nó sẽ làm thay đổi sách vở vật lý hiện có.”[16].
- Bên cạch những ý kiến lạc quan cũng không ít những ý kiến trái ngược của các nhà khoa học tên tuổi: 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.
- 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 chính thống.
- Khi hạt Higgs được tìm thấy.
- người ta đã nhắc đến ba cái tên gắn liền với lý thuyết trường Higgs là Robert Brout, Francois Englert và Peter Higgs, tuy nhiên có nhiều câu chuyện hành lang liên quan đến việc : Ai thực sự là người đặt nền móng cho lý thuyết Higgs bosons, ngoài ba tên tuổi kia, những người nào có tầm ảnh hưởng không kém ? Vì sau khi số liệu sơ khai (do LHC chưa chạy hết công suất 3.5 TeV / 7.0 TeV) được công bố, giới vật lý hạt đang rất khả quan khi cho rằng họ đã sắp chạm vào được…hạt Higgs.
- Nếu đưa ra các khả năng: 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 thêm của không thời gian.
- 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 vùng 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.
- Hiện nay các nhà vật lý đứng trước một tình huống nhiều ngả đường trong quá trình phát triển vật lý.
- 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.
- Mọi điều đang chờ đợi các nhà vật lý ở phía trước.
- [8] Cao Chi, nguyên lý mới trong vật lý lượng tử, Tia Sáng, số