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 102013 vừa qua, giúp giải thích vì sao các vật chất có khối lượng. Vì thế việc hiểu biết về boson Higgs là một việc hết sức thú vị cho những người yêu môn vật lý nói chung và những sinh viên chuyên ngành vật lý nói riêng. Vì thế tôi viết vấn đề này xem như một đề tài nghiên cứu cấp trường CĐSP Tây Ninh.

SỞ GIÁO DỤC TÂY NINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG SƯ PHẠM

VẤN ĐỀ HẠT HIGGS – TÌM HIỂU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM

Thực hiện: Ths Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN

Tây Ninh, ngày 22 tháng 4 năm 2014

SỞ GIÁO DỤC TÂY NINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG SƯ PHẠM

VẤN ĐỀ HẠT HIGGS – TÌM HIỂU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM

Thực hiện: Ths Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN

Tây Ninh, ngày 22 tháng 4 năm 2014

A – MỞ ĐẦU

I Lý do chọn viết bài

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

Vì thế việc hiểu biết về boson Higgs là một việc hết sức thú vị cho những người yêu môn vật lý nói chung và những sinh viên chuyên ngành vật lý nói riêng Vì thế tôi viết vấn

đề này xem như một đề tài nghiên cứu cấp trường CĐSP Tây Ninh

II Mục tiêu

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

Đề tài nhằm mục đích phổ biến kiến thức mang tính thời sự và góp phần làm tăng mức độ yêu thích môn vật lý của sinh viên lớp Lý trường CĐSP TN khi đọc đề tài

V Phương pháp

Đọc tài liệu, và khai triển toán

và dài một trang rưỡi

Hình 1 Ông Peter Higgs trong lần viếng thăm CERN (tháng 4 năm 2008)

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 Ông xem việc “phát hiện” ra

cơ chế Higgs là một sự may mắn Nhưng vấn đề đó là một sự khiêm tốn vốn có của những nhà khoa học lớn, ngoài công trình đột phá về cơ chế Higgs trước đó ông còn có một số công trình đột phá khác nữa Những công trình của ông không giống những công trình “làm những gì người khác đã từng làm”, công trình của ông mang tính đột phá trong khoa học

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 Một trong những thành phần cơ bản của mô hình này là trường lượng tử giả thiết phổ biến, chịu trách nhiệm cung cấp khối lượng cho các hạt Trường này hiện tại được gọi là trường Higgs Nó là hệ quả của lưỡng tính sóng - hạt trong cơ học lượng tử, và tất cả các trường lượng tử đều có một hạt cơ bản đi kèm Hạt đi kèm với trường Higgs được gọi là hạt Higgs, hay boson Higgs, theo tên của nhà vật lý Peter Higgs

II Lưỡng tính sóng hạt

Vật chất có hai dạng chuyển động, dạng chuyển động hạt (gọi tắt là hạt) và dạng chuyển động sóng (gọi tắt là sóng) Dạng chuyển động hạt đặc trưng bởi sự định xứ của vật chất trong không gian và sự tồn tại quỹ đạo Dạng chuyển động sóng đặc trưng bởi sự không định xứ trong không gian, sóng là quá trình truyền nhiễu loạn trong không gian với vận tốc không đổi và mang theo năng lượng Chuyển động của sóng là chuyển động của trạng thái vật chất chứ không phải là truyền vật chất, là sự truyền pha từ phần tử vật chất này đến phần

tử vật chất kia, chuyển động sóng tuần hoàn trong không gian và thời gian

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 Có nghĩa vật chất khi chuyển động trong không gian có thể được xem như một sóng đang lan truyền với bước sóng cụ thể (tính được), và cũng có thể xem như là một hạt đang chuyển động với động lượng, động năng xác định

Ví dụ xét vật chất ánh sáng, nó vừa thể hiện tính sóng, vừa thể hiện tính hạt như sau:

+ Hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, và phân cực ánh sáng là những hiện tượng thể hiện bản chất sóng của ánh sáng mà thực nghiệm quan sát được

+ Hiện tượng bức xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng compton là những hiện tượng không thể giải thích dựa trên tính chất sóng của ánh sáng Để giải thích những hiện tượng này phải xem ánh sáng như là những hạt gọi là lượng tử ánh sáng Planck và Einstein

đã đưa ra thuyết lượng tử ánh sáng để giải thích những hiện tượng trên Vậy để giải thích thỏa đáng các hiện tượng tự nhiên của ánh sáng thì phải xem ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt Suy rộng ra vật chất đều có tính lưỡng tính sóng – hạt

Đối với một bức xạ điện từ đơn sắc tần số  , bước sóng λ lượng tử năng lượng tương ứng bằng:

III Lý thuyết trường lượng 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) Nội dung quan

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)

Ví dụ: ta có một cái ly đựng cà phê đá, bên trong chứa những viên đá nhỏ Theo suy

nghĩ của vật lý cổ điển thì nếu ly đá ở trạng thái cân bằng thì các viên đá không bao giờ

“chui” qua thành ly để ra ngoài được, có nghĩa xác suất của sự kiện đó bằng không Nhưng theo quan điểm của cơ học lượng tử thì sự kiện đó có thể xảy ra với một xác suất khác không nhưng rất nhỏ Có nghĩa là nếu giả sử ta có đủ thời gian để chờ đợi viên đá “chui” ra khỏi thành ly thì một ngày nào đó ta sẽ nhìn thấy sự kiện đó, đây gọi là nguyên lý bất định Heisenberg

Theo vật lý cổ điển thì quá trình vật lý hoàn toàn độc lập với các quan sát khác nhau,

có nghĩa là tác dụng của những quan sát chỉ là nhiễu loạn không đáng kể đến trạng thái của

hệ Vì thế theo vật lý cổ điển ta có thể mô tả một cách tuyệt đối và tường tận trạng thái chuyển động vật lý của hệ, và có thể lắp ghép các phép đo rời rạc lại thành một bức tranh thống nhất mô tả trọn vẹn một sự kiện vật lý

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 Khi các vật chuyển động bằng hoặc xấp xỉ vật tốc của ánh sáng thì người ta thấy rằng các định luật cơ học của Isaac Newton không thể áp dụng được nữa, lúc bấy giờ có những hiệu ứng mới lạ như là: thời gian trôi đi trên hai hệ quy chiếu chuyển động với vận tốc khác nhau thì khác nhau, khi một vật chuyên động càng nhanh thì kích thước của bản thân nó bị co lại, có nghĩa nó bị ngắn lại theo phương nó đang chuyển động 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

"hạt" của sóng và tính "sóng" của hạt

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 Điện động lực học lượng tử được xây dựng trên cơ sở của các định luật của cơ học

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; còn sự tương tác của các trường bức xạ với vật chất được coi như quá trình hấp thụ các photon này và bức xạ các photon khác

Từ lâu vật lý rất quan tâm đến vấn đề thế nào là "chất" và "trường" và mối quan hệ giữa chúng 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 :

- Chất là nguyên liệu để cấu thành các vật chất, chất có khối lượng, choán một thể tích nào đó, có thể nhìn thấy và cân đo được Thí dụ về chất như các hạt electron và prôton, các nguyên tử, các phân tử và các vật thể khác được tạo nên từ các hạt trên

- Trường là một dạng đặc biệt của vật chất, thông qua trường mà tương tác (hút, đẩy) giữa các vật cách xa nhau được thực hiện Trường không có khối lượng nhưng có mang năng lượng và trường tồn tại liên tục ở khắp mọi nơi Tác dụng của trường trong chừng mực nào đó ta cũng có thể nhận biết được - như trường bức xạ nhiệt tác dụng vào da ; một số trường mà ta đã biết đó là trường điện từ, trường hấp dẫn, trường bức xạ nhiệt,

Chất và trường là hai khái niệm biệt lập nhau, vì thế người ta gắn cho mỗi dạng đó của vật chất quy luật chuyển động riêng biệt :

- Đối với chất : Quy luật chuyển động hạt mà đặc điểm của nó là sự định xứ và tồn tại quỹ đạo chuyển động

- Đối với trường : Quy luật chuyển động sống mà đặc điểm của nó là không định xứ và không tồn tại quỹ đạo chuyển động - mà là chuyển động của cả một môi trường nào đó

Như vậy theo vật lý cổ điển - vật lý của thế giới vĩ mô thì hai dạng chuyển động hạt và chuyển động sóng là hoàn toàn khác hẳn nhau, cũng như chất và trường không thể chuyển hóa cho nhau được 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 = mc2

Mối liên hệ mật thiết này thể hiện ở chỗ : chỗ nào

có năng lượng thì chỗ đó có khối lượng và ngược lại Như thế sự tách biệt giữa chất và trường theo tiêu chuẩn khối lượng của vật lý cổ điển đã bị xóa nhòa Khi cơ học lượng tử ra đời, trên cơ sở những giả thiết của Planck, Einstein và De Broglie đã hình thành quan niệm lượng tử : Trường cũng có tính gián đoạn, có tính chất hạt" (tính chất lượng tử của trường, suy ra từ các hiện tượng bức xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện) và những hạt của trường cũng

có thể có những đặc tính của hạt chất ; ngược lại các hạt chất cũng có đặc tính của trường : Các hạt cũng có tính "sóng" (tính chất lượng tử) theo giả thuyết De Broslie, và nó loang ra trong không gian giống như trường Các quy luật chuyển động sóng của các hạt vi mô đã được cơ học lượng tử nghiên cứu Trong thế giới vi mô còn có nhiều hiện tượng khác với

trong thế giới vĩ mô Chẳng hạn hiện tượng sinh hủy cặp, hai photon có năng lượng đủ lớn gặp nhau biến thành một cặp hạt electron - pôditron :

Chính hiện tượng phân hủy cặp đã minh chứng một điều mà chúng ta hằng mong đợi: các hạt chất và các lượng tử của trường có thể biến hóa lẫn nhau và hơn thế nữa các hạt chất cũng có thể được sinh ra và bị hấp thụ như các lượng tử của trường

Như vậy với quan niệm cũ cho rằng hạt chất là tập trung trong một kích thước giới hạn

và có khối lượng, thì nay lại có thể mất kích thước và loang ra như trường, và ngược lại cho rằng trường là loang ra vô tận và không có khối lượng cũng tập trung thành hạt, cũng có khối lượng và có thể biến thành những hạt của chất

Do đó lý thuyết trường lượng tử tương đối tính là lý thuyết thống nhất giữa các hạt và các trường Sự đồng nhất các khái niệm hạt và trường được lý giải theo quan điểm là : do tính chất sóng "lượng tử" của bất kỳ những hạt cơ bản nào và tính chất lượng tử "tính hạt" của tất cả các trường, mà mỗi một trường (theo cách hiểu cổ điển) đồng thời là tập hợp các hạt chất, còn mỗi tập hợp các hạt chất (theo cách hiểu cổ điển) là một trường nào đó 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

Công bằng mà đánh giá thì cơ học lượng tử và sự áp dụng của nó đã giúp chúng ta giải thích một vấn đề quan trọng về cấu tạo nguyên tử, phân tử ; mặt khác cần áp dụng thành công trong một loạt các lĩnh vực khác nữa như liên kết Hóa học, Vật lý chất rắn, và Vật lý hạt nhân nguyên tử 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 Bên cạnh đó cơ học lượng tử mới đề cập đến chuyển động các vi hạt mà không đề cập đến sự sinh và hủy nó Như vậy cơ học lượng tử mới chỉ áp dụng để mô tả các hệ số hạt không đổi 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 Đây là bước chuyển từ hạt sang sóng và được gọi là sự lượng tử hóa lần thứ nhất Thực chất của bước chuyển này là việc thay thế các đại lượng vật lý (trong cơ học cổ điển là các hàm số tuân theo quy luật nhân giao hoán bằng các toán tử tuyến tính tự liên hợp (nói chung không tuân theo phép nhân giao hoán số) thỏa mãn các hệ thức nhất định

Có nhiều hiện tượng trước đây rất khó hiểu chưa giải thích được, thí dụ mômen từ dị thường của electron ở trường ngoài, sự dịch chuyển các mức năng lượng nguyên tử và một

số các kết luận quan trọng về những tính chất của chất và trường Nhưng khi dựa vào các quy luật của điện động lực học lượng tử ta mới giải thích được các hiện tượng khó hiểu đó

Từ những thành công đó, người ta đã chỉ ra rằng có tồn tại một dạng mới nào đó của vật chất mà trước đây ta chưa biết : đó là chân không của trường điện từ và chân không của trường electron - pôditron 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 Với nghĩa đó trong trạng thái chân không của trường điện từ không có các photon thực, nhưng vẫn tồn lại một loạt các hiệu ứng thể hiện trong đó có tồn tại những dao động không của chân không Sự tồn tại các dao động không cũng là nét đặc trưng đối với chân không của trường electron - pôditron mà trong đó không tồn tại các hạt thực là electron và pôditron

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 Thí dụ tương tác điện từ là kết quả của tự đổi photon ảo, tương tác mạnh là kết quả của việc trao đổi các mezon ảo 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 Về mặt lý tưởng chúng ta có thể vượt qua được những trở ngại về phân kỳ nếu như bổ sung thêm sự tái chuẩn hóa lại các hằng số (khối lượng, diện tích ), nhưng điều này không thực hiện được trong các cách phát biểu của lý thuyết Vì thế nhiều phương pháp tính toán mới đang được tìm tòi thay cho tính toán liên quan dấn phương pháp nhiễu loạn

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) :

- Phương pháp hình thức luận lượng tử hóa thứ cấp

- Phương pháp tích phân phiếm hàm

- Phương pháp hàm Green

VI 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 Mô hình chuẩn đã miêu tả chính xác các quan sát thu được tính đến nay, nhưng nó đã bỏ ngỏ những câu hỏi mang tính chất cơ bản, một trong số đó chính là

việc tại sao tự nhiên lại cần đến 4 lực cơ bản (lực điện từ, lực tương tác hạt nhân yếu, lực

tương tác hạt nhân mạnh, lực hấp dẫn) mà không phải là 1, và tại sao độ lớn, cùng các

tính chất, của chúng lại khác biệt đến vậy Sự thành công của việc thống nhất tương tác điện

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

Như trong thuyết điện yếu, sự chênh lệch về độ lớn của các mức năng lượng, dưới mức năng lượng nghỉ của các boson trung gian được miêu tả bằng việc phá vỡ đối xứng tức thời Thuyết GUT đồng thời cũng giải thích sự tương đồng giữa điện tích electron và điện tích proton

Điểm nổi bật của thuyết GUT chính là các hằng số cặp của cả 4 tương tác đều có cùng một giá trị, gần bằng với hằng số mạng tinh thể ở mức năng lượng cao Tuy nhiên mức năng lượng thống nhất trong lý thuyết lên đến 1015

GeV trong khi các máy gia tốc hiện tại mới chỉ đạt tới 3×103

GeV Vì vậy, cần có một sự tiến bộ lớn trong công nghệ để thực hiện được những thí nghiệm kiểm chứng cho thuyết GUT

Sơ đồ sự thống nhất các lực căn bản

Lực tương tác hạt nhân yếu

Lực tương tác hạt nhân mạnh Lực hấp dẫn Lực điện từ

lượng tử Thuyết tương đối rộng

Lý thuyết điện – yếu

Lý thuyết thống nhất lớn

Vẫn chưa thống nhất với

lý thuyết thống nhất lớn

Lý thuyết của mọi lý thuyết – Thuyết vạn vật

V Cơ chế Higgs - Higgs Boson

Vào những năm 1980, khi CERN (Tổ chức nghiên cứu nguyên tử châu Âu) xin tài trợ cho LHC (dự án máy gia tốc hạt lớn) từ chính phủ Anh, Thủ tướng Anh lúc đó là bà Magaret Thatcher nói: "Nếu các anh có thể giải thích bằng thứ ngôn ngữ mà chính trị gia như tôi có thể hiểu được gì thì các anh sẽ có được tiền 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

Lấy ví dụ như thế này: một người không mấy ai biết đến di chuyển qua phòng này, hẳn

mọi người sẽ chẳng thèm đoái hoài; thế là những người này có thể dễ dàng nhanh chóng đi qua phòng (và lúc này tốc độ họ đi sẽ rất nhanh, và nếu trong trường hợp không một ai thèm để ý tới họ, họ sẽ di chuyển với tốc độ ánh sáng, tức họ không hề có khối lượng - massless)

Lấy thêm một ví dụ khác: Một người cực kì quan trọng, giả dụ là bà Magaret Thatcher

đi vào phòng, tức thì bà sẽ được bao quanh bởi người trong phòng Và họ cứ thế vây quanh

bà, bà sẽ di chuyển qua đám đông cực kì khó khăn và chậm chạp Chính như thế, bà sẽ

giải thích hóm hỉnh của các nhà vật lý học

Newton nghĩ rằng ông đã có lực hấp dẫn trong tay vào năm 1665 Nhưng 250 năm sau, một khoa học trẻ tên là Einstein đã công nhiên rằng hấp dẫn không phải là một tính chất của Trái đất hay bất kì vật chất nào khác – hấp dẫn là cái bạn thấy khi vật chất làm biến dạng không - thời gian

Quan điểm của Einstein thổi lên những luồng gió mới Và trong khi kiến thức hiện nay của thuyết tương đối rộng là không cần thiết cho một cuộc sống hạnh phúc và trọn vẹn, nhưng nó thiết yếu cho các nhà vật lí mở mang đầu óc của họ xem vũ trụ thật sự hoạt động như thế nào Tiến nhanh cho đến bây giờ, và nếu một nhân vật kém nổi tiếng hơn Neuton và Einstein là Peter Higgs là đúng, thì sự nhận thức của chúng ta về khối lượng sẽ tiến thêm bước nữa

Khối lượng là một trong những thứ mà cố hữu chúng ta „có‟ – một số thứ thì nặng hơn những thứ khác, và khối lượng của các vật không thay đổi từ ngày này sang ngày tiếp theo Chúng ta biết hoặc có thể tính ra khối lượng của mọi thứ trên hành tinh, từ một nguyên

tử hydrogen (1,6x10-27

kg) đến một chiếc phản lực (400.000 kg) cho đến bản thân hành tinh (5,6x1024 kg) Và chúng ta biết khối lượng của các vật thật ra là tổng khối lượng của tất cả các nguyên tử cấu tạo nên nó

Nhưng vào thập niên 1960, nhà vật lí người Anh Peter Higgs đi đến một ý tưởng tách khối lượng ra khỏi cái gì đó hoàn toàn hiển nhiên, thành một cái gì đó mơ màng như bản thân thập niên 60 vậy

Ông nói khối lượng không phải là một tính chất của vật chất Thay vào đó, một trường không nhìn thấy chứa đầy mọi góc cạnh của vũ trụ, và các vật có khối lượng bằng cách tương tác với trường đó Trường tương tác với một hạt càng mạnh (trường này gọi là trường Higgs), thì hạt càng nặng

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

Các electron thật sự nhẹ, nên trường Higgs khó tương tác với chúng Các quark cấu tạo nên proton và neutron thì nặng hơn electron nhiều, vì trường Higgs tác dụng lên chúng mạnh hơn nhiều, khiến chúng khó tách rời ra hoặc chuyển động chậm lại Các photon,

những gói năng lượng cấu tạo nên bức xạ điện từ, không có khối lượng Nên chúng lao qua

vũ trụ như thể trường Higgs không hề có mặt – các photon và trường Higgs hoàn toàn „phớt lờ‟ nhau

Ý tưởng của Higgs nhận được sự hoan nghênh từ phía đa số các nhà vật lí, và một số người khác thì la toáng lên bất ngờ Tại sao ông lại làm phức tạp thêm một khái niệm như khối lượng vốn đã hoạt động khá tốt?

Trong thế kỉ 20, các nhà vật lí lượng tử đã phát hiện và lí thuyết hóa những thứ ngày một kì lạ hơn về thế giới hạ nguyên tử Vào thập niên 1960, các nhà vật lí đang dồn về với nhau mọi thứ họ biết về các hạt hạ nguyên tử và các tương tác của chúng thành một lí thuyết hoặc mô hình Đó là một lời kêu gọi lớn, với sự thưởng phạt lớn – mọi thứ cấu tạo từ vật chất, cho nên việc tìm hiểu các hạt cấu tạo nên vật chất và các lực chi phối cái diễn ra ở cấp

độ ấy là công việc ưu tiên hàng đầu

Vào đầu thập niên 1970, mô hình xuất hiện gần như làm được công việc đó Mô hình Chuẩn của vật lí hạt cơ bản bao quát 12 hạt hạ nguyên tử (bao gồm electron cũng như các quark cấu tạo nên neutron và proton), các phản hạt của chúng, và ba trong số bốn lực chi phối mọi tương tác của chúng Nó còn tiên đoán các hạt chưa biết vào lúc ấy, nhưng rồi đã được tìm thấy trong các thí nghiệm năng lượng cao Khi mô hình trên tiến trình hoàn thiện, thì người ta gặp hai trở ngại lớn

Một trong những trở ngại này là nó không cho phép bất kì hạt nào có khối lượng Mọi hạt trên thực tế chúng ta biết là có khối lượng – nó đã được đo và chứng minh – nên vật

lí học cần một lời giải cho bài toán khối lượng, hay nó cần một mô hình mới Đó là nơi ngài Higgs của chúng ta và trường lực mang tên ngài xuất hiện

Nếu trường Higgs thật sự là cơ sở của khối lượng, thì thật là tốt cho bản thân các hạt

hạ nguyên tử không có khối lượng vì chúng cần đến nó chỉ bởi việc tương tác với trường, và

Mô hình Chuẩn vẫn trụ vững Nhưng nếu rốt cuộc không có trường Higgs, thì chúng ta chẳng có cách nào giải thích khối lượng và vật lí hạt sơ cấp sẽ ở lại với Mô hình rất Dưới chuẩn

Vậy làm thế nào chúng ta tìm ra một trường không nhìn thấy chiếm giữ mọi góc cạnh không gian trong vũ trụ? Chúng ta hãy săn tìm boson của nó

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 Sau đó sự phá vỡ đối xứng tự phát của đối xứng định

xứ làm cho trường Higgs tương tác với (ít nhất là một) các trường khác của lý thuyết gauge,

và sinh ra khối lượng (cho ít nhất một) cho các boson gauge Phá vỡ đối xứng cũng sinh ra những hạt vô hướng (spin 0) cơ bản, còn gọi là boson Higgs

Cơ chế Higgs còn được nhắc đến với sự sinh khối lượng cho các hạt boson gauge boson W và boson Z của tương tác yếu thông qua sự phá vỡ đối xứng điện yếu 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")

Máy Tevatron ở Fermilab và Máy gia tốc hạt lớn (LHC) ở CERN đang trong quá trình cố gắng hiểu sâu hơn cơ chế Higgs trong tương tác điện yếu

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 Tuy nhiên, theo định lý Goldstone, các boson này phải phi khối lượng Nhưng chỉ có những hạt đã quan sát thấy bằng thực nghiệm tuân theo cách giải thích xấp xỉ như là boson Goldstone đó là các pion, mà Yoichiro Nambu đã liên hệ với phá

vỡ đối xứng chiral

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 Vì cần thiết phải có các boson gauge phi khối lượng thì mới đảm bảo cho tương tác điện từ có ảnh hưởng ở những khoảng cách lớn được (và boson gauge phi khối lượng này tương ứng với photon, hạt tải lực của tương tác điện từ) Nhưng tương tác yếu lại chỉ có tác dụng trong thang đo nguyên tử, vì vậy các hạt tải lực của tương tác yếu cần phải có khối lượng khác không để khoảng cách của tương tác yếu giảm đi Và lý thuyết gauge về tương tác yếu cần một phương pháp để miêu tả các boson có khối lượng này

Vấn đề nằm ở đây, mô hình chuẩn dựa trên những nguyên tắc toán học chính xác gọi

là sự đối xứng, và những nguyên tắc toán học này đòi hỏi các hạt fermion và boson truyền tương tác đều phải có khối lượng bằng 0 Nhưng thực tế thì electron hay các hạt W+, W- và

Z có khối lượng, và chỉ có neutrino có khối lượng gần bằng 0 Như vậy là không ổn, để giải quyết điều này, người ta cho rằng ban đầu các lepton đúng là có khối lượng bằng 0, thời điểm này đã rất xa hiện tại, và có thể hiểu nó gần mới thời điểm của vụ nổ Big Bang

Cụ thể hơn, nhiệt độ của vũ trụ khi ấy rất lớn và các hạt do đó chuyển động nhanh và mang năng lượng cao Khi nhiệt độ vũ trụ giảm đi thì điều đó không còn đúng nữa, người ta cho rằng việc giảm nhiệt này dẫn tới một sự phá vỡ đối xứng giữa các hạt fermion kết cặp ở trên 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 Hạt đó sau này được gọi là Higgs boson 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

Như đã nói ở trên, phá vỡ đối xứng kết cặp chỉ xảy ra ờ thời điểm mà vũ trụ bắt đầu nguội đi sau Big Bang, khi ấy thì hạt Higgs xuất hiện Vì thế để có thể dò tìm hạt Higgs, người ta cần mô phỏng lại những điều kiện như thế Các điều kiện này chỉ có thể có ở những máy gia tốc có năng lượng rất cao như LHC (Máy gia tốc hạt lớn) ở CERN (Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu, trụ sở chính tại Thụy Sỹ) và Tevantron ở Fermilab (bang Illinois, Hoa Kỳ)

Khi hạt được tìm thấy ở CERN chính là hạt Higgs thì công cuộc tìm kiếm mảnh ghép cuối cùng của mô hình chuẩn sẽ kết thúc Môt lý thuyết đẹp tuyệt đã được giải mã hoàn toàn Thực sự là khi ấy chưa biết điều gì sẽ xảy ra tiếp theo nữa Có thể người ta đi giải quyết một số vấn đề khác như khối lượng của hạt neutrino, ứng viên vật chất tối và rồi lại nảy sinh một hạt cơ bản mới, thậm chí tương tác mới Có thể rất nhiều trong số chúng sẽ

được sử dụng để chiếc chip máy tính của chúng ta chạy với tôc độ chóng mặt hay một cơ chế cho phép bạn du hành vũ trụ , đó là việc của tương lai

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 Ngày nay, hầu hết các thí nghiệm kiểm chứng về 3 lực miêu tả bởi mô hình chính thống đều đúng như những dự đoán của thuyết này Tuy nhiên, mô hình chính thống vẫn chưa là một thuyết thống nhất các lực tự nhiên một cách hoàn toàn, do sự vắng mặt của lực hấp dẫn

Mô hình chính thống chứa cả hai loại hạt cơ bản là fermion và boson Fermion là những hạt có spin bán nguyên và tuân thủ theo nguyên lý loại trừ của Wolfgang Pauli Các hạt boson có spin nguyên và không tuân theo nguyên lý Pauli Khái quát hóa, fermison là những hạt vật chất còn boson là những hạt truyền tương tác

Trong mô hình chính thống, thuyết điện từ - yếu (bao gồm cả tương tác yếu lẫn lực điện từ) được kết hợp với thuyết sắc động lực học lượng tử 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 Hệ Lagrangian của mỗi tập hợp hạt boson trung gian không thay đổi dưới một dạng biến đối gọi là biến đổi gauge, vì thế các boson này còn được gọi là gauge boson Các boson trong Mô hình chính thống là:

* Photon, hạt trung gian trong tương tác điện từ

* W và Z boson, hạt trung gian trong lực hạt nhân yếu

* 8 gluon, hạt truyền trung gian trong lực hạt nhân mạnh 6 trong số các gluon được đánh dấu bằng các cặp "màu" và "đối màu" (ví dụ như một hạt gluon mang màu "đỏ" và

"đối đỏ"), 2 gluon còn lại là cặp màu được "pha trộn" phức tạp hơn

* Higgs boson, hạt gây ra bất đối xứng trong các nhóm gauge, và cũng là loại hạt tạo ra khối lượng quán tính

Biến đổi gauge của các gauge boson có thể được miêu tả bởi một nhóm unita, gọi là nhóm gauge Nhóm gauge của tương tác mạnh là SU(3), nhóm gauge của tương tác yếu là SU(2)xU(1) Vì vậy, mô hình chính thống thường được gọi là SU(3)xSU(2)xU(1) Higg boson là boson duy nhất không thuộc gauge boson, các tính chất của boson này vẫn còn đươc bàn cãi Graviton là boson được cho là hạt truyền tương tác của tương tác hấp dẫn, nhưng không được nhắc đến trong mô hình chính thống

Có 12 dạng fermion khác nhau trong mô hình chính thống Cùng với các hạt proton, neutron và electron, những fermion cấu thành nền phần lớn các vật chất Mô hình chính thống xác định mỗi electron là hạt cơ bản; proton và neutron là hạt tổ hợp, được tạo bởi các hạt nhỏ hơn có tên gọi là quark Các hạt quark dính với nhau bởi tương tác mạnh

Các fermion có thể được sắp xếp trong 3 lớp, lớp thứ nhất có chứa electron, quark trên (up), quark dưới (down) và electron neutrino Tất cả các vật chất nguyên sinh được tạo bởi nhóm hạt ở lớp đầu tiên; các hạt ở lớp cao hơn phân rã nhanh chóng xuống lớp thứ nhất và chỉ có thể được tổng hợp trong một thời gian thực ngắn, thông qua các thí nghiệm năng lượng cao Lý do để sắp xếp các fermion vào các lớp khác nhau mặc dù các đặc điểm của chúng gần giống nhau, ví dụ như electron và muon cùng có spin bán nguyên và có cùng