Cơ chế này là nền tảng của Mô Hình Chuẩn, một lý thuyết diễn tả nhất quán và chính xác ba trong bốn lực cơ bản đã biết của tự nhiên: điện từ, lực tương tác mạnh và lực tương tác yếu của
Trang 1Năm 1964, 6 nhà vật lý (R Brout, F Englert; P Higgs; G Guralnik, C Hagen,
T Kibble) độc lập với nhau cùng đề xuất một cơ chế mang khối lượng cho vạn vật
Sau này gọi là cơ chế Higgs Cơ chế này là nền tảng của Mô Hình Chuẩn, một lý
thuyết diễn tả nhất quán và chính xác ba trong bốn lực cơ bản đã biết của tự nhiên: điện từ, lực tương tác mạnh và lực tương tác yếu của hạt nhân nguyên tử Cùng với lực hấp dẫn (mô tả bởi thuyết Tương đối rộng) chúng hợp thành bốn lực cơ bản chi phối cách vận hành và cấu trúc của vạn vật
Để chứng tỏ cơ chế Higgs không chỉ là một ý tưởng thuần lý thuyết mà nó có thể được kiểm chứng bởi thực nghiệm, riêng P Higgs đã đề xuất là phải tồn tại một hạt vô hướng (spin 0) Hạt này được S.Weinberg gọi là boson Higgs mà chúng ta đang tin tưởng là đã được Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Âu châu (CERN) tìm thấy ngày 04/07/2012
Hiện tượng lịch sử này đã được các nhà vật lý hồi hộp đón chờ từ năm 1984 khi CERN quyết định xây dựng máy gia tốc khổng lồ LHC1 có năng lượng cao nhất thế giới để tìm hạt Higgs Nó mở đầu một trang mới trong vật lý vì đây là lần đầu tiên con người khám phá ra một hạt mới lạ - lực mới lạ, sinh khối lượng cho vật chất, lực này được coi như là lực cơ bản thứ năm của Tự nhiên? Nó gợi ra cách tiếp cận mới về khối lượng của vật chất, khác với quan điểm cố hữu coi khối lượng (hay năng lượng) là cái gì cho trước bởi Tự nhiên mà không ai hiểu nguồn gốc sâu xa
Có thể khối lượng của vật chất được tạo ra bởi sự tương tác của chúng với trường Higgs tràn đầy trong chân không của vũ trụ từ thủa nguyên thủy Big Bang Ban đầu tất cả đều không có khối lượng, do tương tác với trường Higgs mà vật chất trở nên có khối lượng Khối lượng các hạt nặng hay nhẹ tùy theo cường độ tương tác lớn hay nhỏ của chúng với hạt Higgs Càng tương tác mạnh với hạt Higgs, vật chất càng có khối lượng lớn
Theo nguyên lý bất định Heisenberg, hạt vi mô có khối lượng m� chỉ có thể0 tác động trong một khoảng cách R � hữu hạn, vì m và R bị ràng buộc bởi0 nguyên lý bất định Heisenberg: ~ 1R m (ở đây chúng ta sử dụng hệ tọa độ tự nhiên, trong đó, h c 1) Photon không khối lượng nên có thể truyền đi vô hạn, 0
Trang 2Nguyên nhân nào thúc đẩy 6 nhà vật lý sáng tạo ra cơ chế Higgs? Ban đầu là
sự tìm hiểu tại sao hạt ánh sáng (photon γ) không khối lượng lại trở thành có khối
lượng khi nó di chuyển trong các vật liệu siêu dẫn Nguyên lý Đối xứng Chuẩn –
nền tảng chi phối toàn diện bốn định luật cơ bản đã biết, buộc photon phải có khối lượng bằng 0 Điều này hoàn toàn phù hợp với nguyên lý bất định Heisenberg theo
đó khối lượng của một vật tỷ lệ nghịch với tầm truyền của nó Vì đối xứng chuẩn bị phá vỡ một cách tự phát trong hiện tượng siêu dẫn khiến cho photon như mang một khối lượng Vì có khối lượng nên nó chỉ có thể di chuyển trong một khoảng cách ngắn nhất định, khác với bản tính tự tại của sóng điện từ có thể truyền đi vô hạn Đối xứng chuẩn và sự phá vỡ tự phát của nó đóng vai trò chủ yếu của lực cơ bản thứ năm mà sự khám phá ra hạt Higgs là một bước ngoặt lịch sử
1 Vài nét về Đối xứng
Trong tiến trình khám phá các định luật, trong đó có vật lý, nhiều nhà khoa học đã lấy nguồn cảm hứng trong cái đẹp cân đối hài hoà của thiên nhiên để quan sát, tìm tòi, suy luận, sáng tạo Cái đẹp đó có thể chủ quan trong nghệ thuật, văn chương, hội họa, âm nhạc, nhưng trong khoa học nó khách quan, định lượng và
mang tên gọi đối xứng, với dụng cụ toán học là lý thuyết nhóm - nhóm đối xứng để
phân tích, xếp đặt thứ tự các trạng thái của hệ thống, tiên đoán những hệ quả vật lý Nguyên lý đối xứng đóng một vai trò quan trọng trong sự khám phá các quy luật vận hành và cấu trúc của tự nhiên, đặc biệt của vật lý hạt cơ bản
Đối xứng được định nghĩa theo nhà toán lý học Hermann Weyl (1885-1955)
như sau: một định luật khoa học mang một tính đối xứng nếu nó biểu hiện không hề
thay đổi khi ta tác động lên nó bởi một phép biến chuyển Hình cầu là một minh hoạ
rõ rệt nhất của một vật thể đối xứng: phép quay trong không gian ba chiều với bất
kỳ một góc nào chung quanh tâm của hình cầu không làm nó thay đổi hình dạng
Nói cách khác, đường kính của hình cầu là một bất biến của phép quay xung quanh
tâm của nó
Năm 1918, Emmy Noether đề xuất định lý, theo đó khi một tính đối xứng chi phối một hệ thống vật lý nào đó thì phải có một định luật bảo toàn kèm theo, và như vậy phải có một đại lượng bất biến tương ứng Ví dụ, định luật bảo toàn năng lượng
là hệ quả của tính đối xứng do sự dịch chuyển thời gian (Tính đồng nhất của thời
Trang 3gian: một thí nghiệm thực hiện hôm nay, tháng trước hay tuần sau, trong cùng một điều kiện, cũng đều giống hệt nhau)
Tính đối xứng bởi sự chuyển đổi tịnh tiến của không gian (thí nghiệm thực
hiện trong cùng một điều kiện tại Hà Nội, Sài Gòn hay Ngêh An,…đều như nhau)
cho ta định luật bảo toàn xung lượng Hai định luật bảo toàn này, theo thứ tự, diễn tả
tính đồng nhất của thời gian và không gian
Ngoài ra, còn có đối xứng bởi phép quay xung quanh một trục, nó đưa đến
định luật bảo toàn mô men xung lượng Định luật này diễn tả tính đẳng hướng của không gian (bất kỳ chiều hướng nào cũng tương đương như nhau) Đồng nhất và
đẳng hướng là hai đối xứng cơ bản của không gian và thời gian.
Mỗi định luật cơ bản của vật lý thường tuân theo một phép đối xứng nào đó
Ví dụ, định luật điện từ, gói gọn trong bốn phương trình Maxwell, tuân theo phép
đối xứng chuẩn mà hệ quả là sự bảo toàn điện tích Điện tích không mất đi hay sinh
ra, nó bất biến bởi phép biến chuyển chuẩn
Danh từ chuẩn, do H Weyl đưa ra, hàm ý không có một tiêu chuẩn, mẫu thước
tuyệt đối nào trong cách tính toán đo lường giá trị nội tại của các đại lượng khoa học Mét hay cm, đồng hay dollar ,…đều tương đương, đó chỉ là quy ước của con người
Đối xứng chuẩn đóng một vai trò rất quan trọng trong tiến trình khám phá vật
lý, khởi đầu trong điện từ và sau đó lan rộng sang nhiều ngành như khoa học vật liệu, vật lý chất đông đặc ngưng tụ, vật lý hạt, vũ trụ thiên văn kèm theo những ứng dụng kỳ diệu trong công nghệ liên đới đến những ngành này
Vậy đối xứng chuẩn là gì ? Ai trong chúng ta khi làm quen với cơ học lượng tử đều
biết rằng bình phương độ lớn của hàm số sóng của electron |Ψ(x)|2 cho ta xác suất trạng thái của nó Ta thấy ngay phép biến chuyển chuẩn Ψ(x) → Ψ(x)eiα(x) với bất kỳ một hàm thực α(x) nào đều không làm thay đổi |Ψ(x)|2 Trong các hàm Ψ(x) và α(x),
đối số x chỉ định vector 4 chiều xμ củakhông-thời gian Phương trình Maxwell của photon được mô tả bởi thế vector 4 chiều Aμ(x) – không hề thay đổi bởi phép biến chuyển chuẩn Nếu thêm vào hay bớt đi một đạo hàm của bất kỳ hàm α(x) nào cũng không làm thay đổi phương trình Maxwell Chính vì vậy mà đối xứng chuẩn chi phối toàn diện tương tác điện từ giữa electron với photon
Trang 4Theo thuyết tương đối rộng, mọi người quan sát bất kể họ chuyển động ra sao đều bình đẳng như nhau, người di chuyển với gia tốc cũng có thể nói họ đứng yên vì họ
có thể thay thế lực mà họ bị áp đặt lên bằng lực hấp dẫn mà họ bị đặt vào Sự tương đương giữa gia tốc và trọng lực có thể minh họa qua hình ảnh quen thuộc của phi hành gia lơ lửng đứng yên trong hỏa tiễn bay với gia tốc lớn Nó phản ánh ý tưởng
mà Einstein coi như mãn nguyện nhất trong đời ông: “một người rớt từ trên cao xuống không cảm thấy sức nặng của mình” Theo nghĩa đó, lực hấp dẫn tuân thủ một đối xứng chuẩn, nó bảo đảm rằng mọi hệ quy chiếu đều tương đương với nhau Đối xứng chuẩn khẳng định tính bất biến của định luật điện từ trong những phép chuyển dời của điện tích đi từ không-thời điểm này đến không-thời điểm kia
Cũng thế, đối với lực mạnh của hạt nhân nguyên tử thì hai hạt proton và neutron đều hoàn toàn bình đẳng như nhau, định luật tương tác mạnh không thay đổi bởi sự hoán chuyển proton ↔ neutron ở bất kỳ không-thời điểm nào
Và đây là điểm cốt lõi: Sự đối xứng bình đẳng của mọi hệ quy chiếu đòi hỏi phải có luật hấp dẫn, hơn nữa nó còn xác định được luật hấp dẫn là gì dưới dạng toán học qua phương trình Einstein của thuyết tương đối rộng
Cũng vậy, lực mạnh của hạt nhân nguyên tử không phụ thuộc vào sự hoán chuyển proton ↔ neutron Tính đối xứng giữa proton ↔ neutron đòi hỏi tương tác mạnh phải được diễn tả dưới dạng của một phương trình cụ thể C N.Yang cùng đồng nghiệp trẻ R Mills bàn luận về sự bất biến của lực mạnh dưới sự hoán chuyển proton ↔ neutron (nhóm đối xứng SU(2) của toán học) và tìm ra phương trình tương tác đáp ứng đối xứng chuẩn này Công trình phong phú đó mang tên lý thuyết chuẩn Yang-Mills
Sắc động lực học lượng tử (Quantum Chromodynamics, QCD) là định luật đáp ứng
phép đối xứng sắc tích (color charge) của quark, nghĩa là bất kỳ các dịch chuyển ra
sao trong không-thời gian của sắc tích đều không làm thay đổi tương tác của quark Một hậu quả độc đáo của lý thuyết chuẩn Yang-Mills nói chung (và của QCD nói
riêng), là các boson chuẩn phải trực tiếp tác động giữa chúng với nhau, khác hẳn
với photon (boson chuẩn của điện từ) không có tương tác trực tiếp này Chính sự tác động trực tiếp với nhau giữa các gluon (boson chuẩn của QCD) là gốc nguồn của tính chất "tự do tiệm tiến" theo đó lực mạnh giảm đi khi quark xích lại gần nhau và
Trang 5do đó tăng lên khi chúng bị tách xa nhau Càng đẩy chúng ra xa để tách rời chúng thì lực gắn kết chúng lại càng mạnh hơn lên để kéo giữ chúng lại, điều trái ngược với lực Coulomb của điện từ bị giảm đi theo bình phương khoảng cách của hai điện tích Quark mãi mãi bị cầm tù, chúng không sao thoát khỏi ra ngoài hadron để lộ mặt, và tính chất "tự do tiệm tiến” vinh tặng D J Gross, H D Politzer và F
Wilczek giải Nobel 2004
Đặc điểm cần nhấn mạnh của đối xứng chuẩn là nó đòi hỏi các boson chuẩn có spin
1 (gauge boson) – làm trung gian sứ giả cho những fermion (như quark và lepton)
tương tác với nhau – phải không có khối lượng Photon hay gluon là thí dụ của
boson chuẩn không có khối lượng