- VẤN ĐỀ HẠT HIGGS – TÌM HIỂU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM. - Giải Nobel vật lý 2013 được công bố trao cho hai nhà vật lý Peter Higgs người Anh và Francois Englert người Bỉ với công trình nghiên cứu lý thuyết Higgs boson vào đầu tháng 10/2013 vừa qua, giúp giải thích vì sao các vật chất có khối lượng.. - Có thể nói vấn đề hạt Higgs là vấn đề rất thú vị và rất phức tạp của vật lý hiện đại.. - Tôi dùng ngôn ngữ thông thường để viết về vấn đề này, nhằm cho những người không chuyên về vật lý cũng có thể thấy được vẻ đẹp của vật lý hiện đại.. - Tìm hiểu, trình bày những vấn đề lý thuyết liên quan đến hạt Higgs và quá trình thực nghiệm tìm kiếm từ ý tưởng đến lúc tìm ra hạt Higgs. - CHƢƠNG 1 - NHỮNG LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ĐẾN HẠT HIGGS. - Các nhà thẩm định cho rằng nội dung bài báo không liên quan gì đên vật lý. - Theo bình luật của các nhà vật lý học thì Peter Higgs là một nhà vật lý học bình thường và ngay bản thân ông Higgs cũng khẳng định điều đó. - 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 các 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.. - Thực nghiệm và lý thuyết khẳng định lưỡng tính sóng-hạt là một thuộc tính cơ bản của vật chất, thể hiện ở mọi đối tượng vật chất khi chuyển động trong không gian. - Lý thuyết trƣờng lƣợng tử. - Lý thuyết trường lượng tử được xây dựng trên cơ sở của sự kết hợp lý thuyết tương đối và cơ học lượng tử, qua lý thuyết này ta có hiểu biết sâu sắc hơn về không gian, thời gian, về các dạng vật chất và chuyển động của chúng.. - Lý thuyết tương đối của Einstein được đặc trưng bởi vận tốc ánh sáng. - Lý thuyết lượng tử được đặc trung bởi hằng số Planck (còn được gọi là lượng tử tác dụng). - Hằng số này biểu thị các giá trị gián đoạn của các đại lượng vật lý. - Cơ học lượng tử xem những đại lượng vật lý luôn là những phần bị gián đoạn (ví dụ như ánh sáng bị chia nhỏ thành các lượng tử năng lương lượng gọi là photon ánh sáng mang một gói năng lượng), trên cơ sở của những phần gián đoạn này cơ học lượng tử đã giải thích được hầu hết các hiện tượng vật lý ở cấp độ vi mô (nguyên tử, phân tử). - trọng của cơ học lương tử là nói về xác suất tìm thấy hạt, hay xác xuất của một sự kiện vật lý có thể và không thể xảy ra. - Cơ học lượng tử không cho biết một cách chính xác các sự kiện, hay các đại lượng vật lý có xảy ra hay không, mà nó chỉ cung cấp cho ta một xác suất về vấn đề đó (đây là bản chất vốn có của thế giới vi mô).. - Khác với vật lý cổ điển, trong vật lý lượng tử do đối tượng là các hạt vi mô nên các quá trình quan sát nó đều gây nhiễu loạn đáng kể nên ta không thể xác định được trạng thái của hệ một cách chính xác mà chỉ có thể là xác suất.. - Lý thuyết tương đối của Albert Einstein bao gồm 2 lý thuyết vật lý: thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng. - Lúc bấy giờ Albert Einstein đã phát triển lý thuyết mới để lý giải những hiện tượng trên, lý thuyết này gọi là lý thuyết tương đối. - Trong lý thuyết tương đối đã bao hàm luôn những lý thuyết cổ điển của Niuton, giả sử vật chuyển động với vận tốc rất nhỏ so với ánh sáng thì một cách xấp xỉ với sai số nhỏ thì từ thuyết tương đối ta có thể thu được các định luật Niuton thường thấy.. - Để nghiên cứu các hạt cơ bản (các loại hạt nhỏ cấu tạo nên vật chất) và sự tương tác của chúng, lý thuyết trường lượng tử cho rằng mỗi loại hạt tương ứng với một loại trường, trường liên kết các hạt thành một hệ thống nhất và truyền tương tác từ những hạt này đến những hại khác với vận tốc hữu hạn. - Trong lý thuyết trường lượng tử, trường như vậy được mô tả bằng hàm sóng toán tử và các tương tác được hiểu như quá trình sinh hạt này (toán tử sinh hạt) và hủy hạt kia (toán tử hủy hạt) và toán tử số hạt bằng tích các toán từ sinh và toán tử hủy. - Như vậy lý thuyết trường lượng tử có thể mô tả được những hệ có số hạt thay đổi, mô tả được sự biến hóa của các quá trình sinh hạt và hủy hạt, đồng thời diễn tả được cả tính. - Từ quan niệm đó dẫn đến một khái niệm mới, khái niệm chân không trong lý thuyết trường lượng tử. - Lý thuyết đầu tiên hình thành lý thuyết trường lượng tử là điện động lực học lượng tử. - Đó là lý thuyết hiện đại của trường điện từ và sự tương tác của nó với các hạt tích điện. - lượng tử và lý thuyết tương đối, trong đó các photon được coi như những lượng tử của trường điện từ, các electron, các pôditron - như là các lượng tử của trường electron, pôditron. - Từ lâu vật lý rất quan tâm đến vấn đề thế nào là "chất". - Lý thuyết cấu tạo vật chất cho rằng chất và trường là hai dạng tồn tại cơ bản của vật chất. - Chúng ta biết rằng vật chất luôn luôn vận động và đối với mỗi một dạng vật chất đó người ta đã xây dựng cho nó một lý thuyết đặc trưng về chuyển động.. - Trong lý thuyết cổ điển người ta cho rằng. - Nếu dựa vào quan niệm cổ điển về chất và trường và các quy luật chuyển động tương ứng ta không thể giải thích được các hiện tượng vật lý trong thế giới vi mô và các sự kiện thực nghiệm liên quan đến nó. - Nói cách khác quan niệm cổ điển đó không còn phù hợp nữa, mà cần thay vào đó quan niệm mới hoàn toàn lượng tử - đó là lý thuyết trường lượng tử tương đối tính.. - Theo lý thuyết tương đối Einstein thì giữa khối lượng và năng lượng có mối liên hệ gắn bó với nhau theo công thức E = mc 2 . - Như thế sự tách biệt giữa chất và trường theo tiêu chuẩn khối lượng của vật lý cổ điển đã bị xóa nhòa. - Trước đây các nhà vật lý có ý phân biệt hai loại hạt : Những hạt chất - đó là những hạt có khối lượng nghỉ (thí dụ : electron - poditron), còn hạt photon không có khối lượng nghỉ được xem như những lượng tử hóa của trường.. - Do đó lý thuyết trường lượng tử tương đối tính là lý thuyết thống nhất giữa các hạt và các trường. - Lý thuyết trường lượng tử ra đời trên cơ sở hòa hợp lý thuyết tương đối và cơ học lượng tử. - Vì thế lý thuyết trường lượng tử là lý thuyết hiện đại cơ bản nhằm tạo nên một lý thuyết nhất quát về các hạt, các trường và sự tương tác giữa chúng.. - Đồng thời cơ học lượng tử là cánh cửa đầu tiên mở ra cho chúng ta hiểu nhiều tiên đoán khác trong thế giới vi mô, song một điều cần nghi vấn ở đây là tại sao trường điện từ là một trong những trường đã biết từ lâu vẫn còn tiếp tục được mô tả bằng phương trình Maxwell của lý thuyết cổ điển. - Vì lẽ đó để có thể mô tả được cả các trường và sự sinh hủy các hạt - tức là hệ có thể có một số hạt thay đổi ta phải tiến hành tổng quát hóa cơ học lượng tử thành lý thuyết trường lượng tử.. - Để tổng quát hỏa cơ học lượng tử thành lý thuyết trường lượng tử - tức là thực hiện phép chuyển từ cơ học lượng tử sang lý thuyết trường lượng tử, chúng ta nhắc lại phép chuyển từ cơ học cổ điển sang cơ học lượng tử. - Theo quan niệm của lý thuyết trường lượng tử thì chân không là trạng thái có năng lượng cơ bản thấp nhất của trường hay hệ các trường mà trong đó không tồn tại các hạt thực. - Qua tất cả các hiện tượng trên, chúng ta thấy rằng chân không có những tính chất vật lý phức tạp. - Cũng nhờ có khái niệm chân không vật lý mà sự tương tác giữa các hạt trong lý thuyết trường lượng tử được giải thích trên cơ sở coi sự tương tác đó là kết quả của việc trao đổi các lượng tử của các trường tương ứng. - Khái niệm chân không và sự tương tác của nó với các trường khác giúp chúng ta giải quyết một số vướng mắc quan trọng ở trên, song nó lại dẫn đến cho điện động lực học lượng tử những vấn đề đặc biệt nan giải khác đó là sự xuất hiện các biểu thức phân kỳ trong công cụ tính toán của lý thuyết gắn với nó là phải áp dụng lý thuyết nhiễu loạn. - nhưng điều này không thực hiện được trong các cách phát biểu của lý thuyết. - Chúng ta biết rằng có nhiều lý thuyết nghiên cứu về cấu trúc và các tính chất của các hạt cơ bản sự tương tác và sự biến hóa lẫn nhau giữa chúng, nhưng lý thuyết trường lượng tử là một trong những phương pháp rất mạnh nghiên cứu kết quả các vấn đề đó. - Ngay lý thuyết trường lượng tử cũng tồn tại ba phương pháp nhưng tương đương với nhau (một cách tương đối). - Lý thuyết thống nhất lớn ( GUT - Grand Unification Theory). - Lý thuyết thống nhất lớn, được hình thành trong tiến trình mở rộng mô hình chuẩn của vật lý hạt. - từ và tương tác yếu trong thuyết điện-yếu đã dẫn đến những nỗ lực nhằm thống nhất tương tác mạnh và sau cùng là lực hấp dẫn vào làm một, với tên gọi là Lý thuyết thống nhất lớn.. - Tuy nhiên mức năng lượng thống nhất trong lý thuyết lên đến 10 15 GeV trong khi các máy gia tốc hiện tại mới chỉ đạt tới 3×10 3 GeV. - lượng tử Thuyết tƣơng đối rộng Lý thuyết điện – yếu. - Lý thuyết thống nhất lớn. - lý thuyết thống nhất. - lớn Lý thuyết của mọi lý thuyết – Thuyết vạn vật. - Và cuối cùng dự án LHC được tiền vì lời giải thích hóm hỉnh của các nhà vật lý học.. - Cơ chế Higgs là một quá trình trong đó các boson gauge của lý thuyết gauge có thể nhận được khối lượng khối lượng khác zero thông qua sự phá vỡ đối xứng tự phát.. - Cách thực hiện đơn giản nhất của cơ chế này là đưa thêm từ ngoài vào lý thuyết gauge một trường gọi là trường Higgs. - Mặc dù thực nghiệm đã chứng minh cơ chế Higgs cho tương tác điện yếu, các nhà thực nghiệm đã phát hiện được boson Higgs như Mô hình chuẩn đã tiên đoán (Ngày 4 tháng 7 năm 2012, các nhà vật lý học tại Tổ chức Nghiên cứu Nguyên tử Châu Âu (CERN) đã nhận ra sự tồn tại của một hạt có những đặc tính "thích hợp với boson Higgs").. - Sự Phá vỡ đối xứng tự phát là một cách để đưa ra các boson vào trong các lý thuyết trường lượng tử tương đối tính. - Một vấn đề tương tự xuất hiện trong lý thuyết Yang–Mills (còn gọi là lý thuyết gauge phi abelian), lý thuyết tiên đoán các boson gauge với spin-1 phải không có khối lượng. - Và lý thuyết gauge về tương tác yếu cần một phương pháp để miêu tả các boson có khối lượng này.. - Đồng thời với sự phá vỡ này, nhà vật lý Peter Higgs đưa vào một hạt boson có spin = 0 để khi tương tác với các hạt kết cặp nó sẽ truyền khối lượng cho các hạt đó, như vậy thì các lepton mang điện (electron) và các boson truyền tương tác yếu sẽ có khối lượng. - Do đó Higgs vô cùng quan trọng với lý thuyết Mô hình chuẩn, có thể nói gần như tất cả những dự đoán của Mô hình chuẩn đã được kiểm chứng, việc còn lại là người ta chắc chắn rằng hạt được tìm thấy ở CERN vào 4/7/2012 là hạt Higgs, và mọi người đã có niềm tin là như thế.. - Môt lý thuyết đẹp tuyệt đã được giải mã hoàn toàn. - Mô hình chính thống (SM - Standard model) của vật lý hạt là thuyết miêu tả về tương tác mạnh, tương tác yếu, lực điện từ cũng như những hạt cơ bản tạo nên vật chất. - Được phát triển vào những năm đầu của thập niên 1970, mô hình chính thống là một phần của lý thuyết trường lượng tử, một lý thuyết đã kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp. - Tất cả những thuyết này đều là lý thuyết gauge, có nghĩa là chúng mô hình hóa các lực giữa các fermion bằng cách tạo ra các boson, có tác dụng như các thành phần trung gian. - 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.. - Giáo sư Hosoya Yu thuộc trường Đại học Osaka (Nhật Bản) đã 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. - Higgs boson là một loại hạt được cho là nguồn gốc chất lượng của vũ trụ và là hạt mới được tìm thấy trong số 62 hạt cơ bản trong mô hình lý thuyết chính thống. - Theo lý thuyết siêu dây thì ngoài không thời gian 4 chiều còn tồn tại 6 đến 7 chiều nữa gọi là chiều thêm. - 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.. - 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.. - 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).. - 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.. - 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. - 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. - Liệu những đặc tính của nó có giống như kỳ vọng lâu nay về hạt Higgs – thứ còn đang thiếu để minh chứng cho lý thuyết Mô hình Chuẩn của vật lý hạt? Hay nó là thứ gì đó mới mẻ hơn? Mô hình Chuẩn mô tả các hạt cơ bản mà tất cả chúng ta và mọi thứ khác trong vũ trụ được cấu thành, cùng những lực tương tác giữa mọi đối tượng với nhau. - Phát biểu tại khán phòng của CERN nhà vật lý Peter Higgs đã chúc mừng các nhà nghiên cứu cho khám phá của họ. - Các nhà vật lý đã tìm nhiều phương cách để tiếp cận hạt Higgs, và ngày 4/7/2012 hạt Higgs xem như chính thức được tìm thấy thông qua thực nghiệm.. - Có tới 6 nhà khoa học đã đặt nền móng cho lý thuyết trường Higgs năm 1964. - Tất cả đều độc lập xây dựng một lý thuyết để giải thích cho hiện tượng Phá vỡ đối xứng trong tương tác điện yếu (Electroweak Symmetry Breaking) bằng việc cho rằng có một cơ chế tạo khối lượng thông qua quá trình phá vỡ tức thời của các đối xứng gauge, hệ quả là sự xuất hiện của một đại lượng scalar boson gọi là Higgs Boson. - Do đó , việc tìm thấy sự tồn tại của hạt Higgs và việc trao giải giải Nobel vật lý là vấn đề có nhiều tranh cãi. - 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.. - Nên vật lý đôi khi rất rất khó cảm nhận. - Phạm Duy Lác, nhập môn lý thuyết trường lượng tử. - [6] Cao Chi, nguyên lý mới trong vật lý lượng tử, Tia Sáng, số . - Lý thuyết trường lượng tử. - Lý thuyết thống nhất lớn ( GUT - Grand Unification Theory