Các nhà vật lý học làm việc tại Máy Gia tốc Hạt Lớn – LHC vừa có một phát hiện mới về hạt Higgs: ngoài việc phát hiện lại một lần nữa sự xuất hiện của hạt này, họ còn thấy thêm những chi tiết cho thấy nó tương tác với hạt cơ bản nặng nhất trong vật lý mà ta biết – hạt top quark cao (tạm dịch là hạt quark cao, với khối lượng gấp 340.000 lần electron với điện tích +2/3).
Hai hạt này tương tác với nhau là một trường hợp cực kì hiếm gặp, và qua đó các nhà nghiên cứu chiết xuất dược những thông tin quan trọng về bản chất của khối lượng, bên cạnh đó vén ra một chút tấm màn bí mật, rằng liệu vật lý còn có thể đi xa hơn những gì hiện ta đang biết không.
Kết quả này có được nhờ thử nghiệm do ATLAS và CMS, thuộc Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) thực hiện. Họ xác nhận sức mạnh của liên kết giữa hạt Higgs và hạt quark cao.
Hạt Higgs, vốn là yếu tố cơ bản để xác định về khối lượng các hạt, việc có được dữ liệu về nó để so sánh với những dự đoán đã được đưa ra trước đây sẽ là một cái cớ hoàn hảo để ta có thể vui mừng.
Dù là ta tương tác với khối lượng hàng ngày, từ việc di chuyển, cầm lên cốc nước hay tương tác với lực hấp dẫn, thì lý thuyết về khối lượng vẫn khó nắm bắt lắm. Phương trình E=mc^2 của Einstein mô tả khối lượng như năng lượng. Hợp các hạt lại thành neutron và proton thì cần năng lượng, và chính điều đó sẽ quyết định sức nặng của một nguyên tử.
Nhưng có điều này: những hạt cơ bản vẫn có khối lượng ngay cả khi chúng chẳng hợp cái gì lại cả. Vậy khối lượng đó từ đâu ra?
Tổ hợp nghiên cứu của CERN.
Năm mươi năm trước, nhà khoa học Peter Higgs cho rằng có một hạt gì đó – một thứ hạt nằm cùng loại với hạt ánh sáng photon – tương tác với các hạt khác trong một trường đặc biệt, khi ta điền nốt được cái hạt, cái trường bí ẩn này, ta sẽ hoàn thiện được phương trình tính ra khối lượng một vật thể, một hạt.
Nhiều thập kỷ sau dự đoán này, thứ hạt kì lạ kia vẫn luôn là viên gạch còn thiếu trên bức tường Mô hình chuẩn của Vật lý. Ta cần phải khẳng định được rằng nó tồn tại. Năm 2012, dùng Máy Gia tốc Hạt Lớn, người ta xác nhận được sự tồn tại của hạt Higgs. Mô hình chuẩn của Vật lý đã hoàn thiện.
Tuyệt vời thay, khám phá ra nó mới chỉ là bước khởi đầu của việc nghiên cứu hạt Higgs. Ta cần phải đo đạc nó để tìm ra phần khối của một hạt, và ta hướng mũi nhọn nghiên cứu vào hạt quark cao, thứ hạt nặng nhất mà ta biết.
Họ hàng hạt quark cao là quark lên – up quark và quark xuống – down quark tạo nên proton và neutron. Nhưng hạt quark cao thì lại không tồn tại đủ lâu để tạo nên được bất kì cái gì: nó bị phân rã cực kì nhanh.
Tuy vậy, nó vẫn cực kì nặng, như đã nói ở đầu bài viết. Điều đó cho thấy nó sẽ tương tác rất mạnh với trường Higgs.
Để bắt được việc chúng tương tác, ta phải sớm xác định được việc hạt Higgs sẽ xuất hiện cùng lúc với hạt quark cao, trong một sự kiện có tên là sản xuất ttH. Nói ra thì dễ, cả hai thứ hạt này đều có thời gian tồn tại cực kì ngắn nên bắt được riêng hai hạt này đã khó, bắt được chúng một lúc lại càng khó hơn. Thực tế, chỉ có 1% Máy Gia tốc Hạt Lớn có thể tạo ra được năng lượng để hạt Higgs và hạt quark cao xuất hiện cùng lúc.
Để có thể "tóm" được giây phút đặc biệt này, các nhà khoa học sẽ phải lọc dữ liệu từ hai thử nghiệm va chạm hạt khác nhau. Có một ví dụ vui mà Science Alert đưa ra như thế này: việc này cũng khó như việc chụp được hình ảnh hai vị khách quý bắt tay nhau trong một bữa tiệc lớn, SAU KHI họ đã rời bữa tiệc và về tư gia của mình. Có điều còn khó hơn thế.
Khi tìm được đủ số lần bắt tay và so sánh kết quả số lần, các nhà nghiên cứu từ hai thử nghiệm này sẽ đưa ra con số đo đạc chính xác lượng năng lượn có khi hại Higgs và hạt quark cao bắt cặp.
Một phần của Máy Gia tốc Hạt Lớn.
Bên trong Máy Gia tốc Hạt Lớn.
"Thông số mà hai đội nghiên cứu cung cấp cho thấy rằng hạt Higgs đóng góp một giá trị rất lớn vào khối lượng của hạt quark cao", nhà vật lý học Karl Jakobs, phát ngôn viên của ATLAS nói.
"Dù đây là yếu tố then chốt trong Mô hình chuẩn của Vật lý, đây là lần đầu tiên ta thử nghiệm thành công với những kết quả ngoài mong đợi".
Càng có được thêm nhiều thông tin trong những tháng thử nghiệm sắp tới, ta lại càng mở được thêm nhiều bí mật của vật lý. "Khi ATLAS và CMS hoàn thiện việc thăm dò số liệu vào tháng Mười Một năm 2018, ta sẽ có thể có được những dự đoán chắc chắn hơn về ttH trong Mô hình chuẩn của Vật lý, để xem liệu có thứ gì mới không", Joel Butler, phát ngôn viên của CMS cho hay.
Kết quả sắp tới mang nhiều tính mong đợi hơn là một con số chắc chắn. Nhưng thành công nào cũng vẫn là thành công, nhất là khi vật lý đương đại còn quá nhiều bí ẩn chưa thể giải đáp.
Nghiên cứu này đã được đăng tải trên Physical Review Letters.