Thế giới hạt cơ bản, vai trò của hạt Higgs và công cuộc săn tìm loại hạt này

[diemkhtr]

Nguồn: http://www.tinhte.vn/threads/1361541/

Lịch sử của con người bao gồm lịch sử khám phá ra các hạt cơ bản theo tiến trình thời gian với kích thước ngày càng nhỏ dần: chất - phân tử - nguyên tử (nguyên tố hóa học) - và thế giới hạ nguyên tử. Nhân sự kiện cỗ máy gia tốc đắt tiền nhất giới LHC vừa phát hiện ra một hạt mới mà rất nhiều người hi vọng nó là "Hạt của chúa" hay các nhà khoa học gọi nó là Higgs boson, mình viết bài này để các bạn có một bức tranh tổng quan về một thế giới toàn các hạt nhỏ bé và vai trò của hạt Higgs. Một số thông tin ở đây có thể chưa đúng theo chuẩn mực khoa học, mình chỉ cố gắng diễn dải một cách dễ hiểu nhất cho các bạn.

Các hạt cơ bản

Trở lại với vấn đề. Mình xuất phát từ kiến thức cơ bản nhất mà các bạn ở đây điều biết: nguyên tử. Chúng ta biết rằng nguyên tử bao gồm một hạt nhân mang điện tích riêng ở giữa và electron mang điện tích âm chuyển động xung quanh.

Cho tới gần đây, electron được coi là hạt cơ bản vì chúng không thể phân chia được (ít nhất ở thời điểm hiện tại). Electron là một lepton, có nhiều hạt lepton khác và chúng tạo thành các thế hệ lepton mang điện và không mang điện. Electron là thế hệ lepton mang điện thứ nhất, muon (đọc là "miu on") là thế hệ hai và tauon là lepton thế hệ thứ ba. Ba hạt này có điểm chung là có điện tích -1 (đơn vị điện tích), spin 1/2 (khái niệm spin có thể hiểu nôm na là do tính tự quay quay trục của các hạt này) và khối lượng các hạt này tăng dần theo thế hệ. Trong nhiều quá trình phân rã người ta quan sát thấy các lepton mang điện luôn kết cặp với một hạt không mang điện tương ứng, chúng được gọi là các lepton không mang điện hay là neutrino, có 3 loại neutrino tương ứng với các thế hệ lepton: neutrino electron, neutrino muon và neutrino tauon. Cả ba loại neutrino này cũng có spin 1/2 nhưng chúng không mang điện tích và có khối lượng rất bé.

Trong khi đó, hạt nhân lại được cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn được gọi là proton va neutron. Tuy nhiên chúng vẫn là các hạt có cấu tạo, các hạt cấu thành chúng được gọi là quark. Có 6 loại quark được biết và chúng cũng tạo thành các thế hệ và thường xuất hiện cùng nhau như các cặp lepton mang điện và không mang điện: up (u) và down (d) (thế hệ 1), charm (duyên - c) và strange (lạ -s) (thế hệ 2), top (t) và bottom (b) (thế hệ 3). Tuy các quark cũng có spin 1/2 nhưng chúng có điện tích không phải là các số nguyên mà là bội số của 1/3 (cụ thể là 1/3 và 2/3 đơn vị điện tích).

Quark và lepton là những hạt cơ bản, hai loại này gộp lại với nhau được gọi là các fermion, tức là những hạt có spin 1/2. Ngoài ra tương ứng với mỗi fermion còn có các hạt gọi là phản fermion, ví dụ phản electron là positron mang điện tích +1.

Các tương tác trong tự nhiên

Chúng ta biết rằng các điện tích thì có thể hút hoặc đẩy nhau. Các fermion cũng tương tự như vậy. Nhưng cơ chế tương tác của chúng như thế nào? Mình sẽ giải thích trường hợp hai electron. Hai electron sẽ tương tác với nhau qua một hạt khác gọi là photon hay là "lượng tử ánh sáng" như chúng ta biết. Giả sử một electron A phát ra một photon và bị lệch khỏi đường đi ban đầu, photon này bay ra và bị hấp thụ bởi electron B khiến electron B lệch đường đi của nó. Như vậy thông qua trao đổi photon hai electron này đi ra xa nhau hay nói cách khác chúng đẩy nhau. Tương tác trao đổi photon như vậy được gọi là tương tác điện từ, hạt như photon gọi là hạt truyền tương tác và tương tác điện tử có ở tất cả các hạt mang điện. Các nhà khoa học cũng định nghĩa 3 tương tác khác với các hạt truyền tương tác tương ứng:

• Tương tác hấp dẫn: xuất hiện giữa các vật có khối lượng, hạt truyên tương tác gọi là graviton (tuy nhiên thực nghiệm chưa phát hiện hạt này)
• Tương tác mạnh (tương tác trong lòng hạt nhân) là tương tác giữa các quark, hạt truyền tương tác gọi là gluon.
• Tương tác yếu: là loại tương tác xảy ra ở các quá trình phóng xạ và phân rã, hạt truyền tương tác là W+, W- và hạt Z với điện tích tương ứng là +1, -1 và 0.

Tất cả các hạt truyền tương tác ở trên gọi là boson, khác với các fermion, boson có spin là một số nguyên. Ví dụ W+, W-, Z hay photon có spin bằng 1. Ở trên đây, lepton khác quark ở điểm là chúng không tham gia tương tác mạnh. Các quark và lepton kết cặp tương ứng với nhau vì nguời ta cho rằng chúng có tính đối xứng spin 1/2 giống như các bạn đã biết sự đối xứng spin giữa proton và neutron.


Bạn sẽ thắc mắc chưa thấy hạt Higgs boson ở đâu?

Các nhà khoa học thường cố gắng làm mọi thứ đơn giản, vì thế họ tìm một lý thuyết chung cho tất cả các tương tác trên. Ngoại trừ tương tác hấp dẫn, một lý thuyết chung cho cả 3 tương tác còn lại đã ra đời và được gọi là Mô hình chuẩn (Standard Model- SM). 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 lepton và boson truyền tương tác đều phải có khối lượng bằng 0. Nhưng thực tế thì electron và 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 các bạn 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 =1 để khi nó 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, ngoại trừ việc người ta chưa tìm thấy hạt Higgs. Vì thế cuộc săn lùng hạt Higgs trở thành mục tiêu của những chương trình thực nghiệm toàn cầu.

Tại sao cần LHC và Tevantron để tìm Higgs?

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). Hai hôm trước khi LHC công bố kết quả về hạt mới này các nhà khoa học tại Tevantron cũng đã dần đi tới giới hạn khối lượng của hạt Higgs có thể có và CERN có thể đã tiến gần hơn tới cuộc săn lùng vĩ đại trong lịch sử khoa học này. Các bạn sẽ thắc mắc một chút là tại sao lại có hai máy dò như ATLAS và CMS hoạt động đồng thời? Lý do ở đây là hai máy này đều kiểm tra các quá trình như nhau, nhưng người ta phải áp dụng những nguyên tắc đo đạc khác nhau để có thể kiểm chứng và đối chiếu kết quả trước khi đi đến kết luận cuối cùng. Việc một máy dò như sự kiện kết luận neutrino chuyển động lớn hơn vận tốc ánh sáng trước đây có thể rất dễ dẫn tới sai lầm.

Nếu hạt mới đúng là Higgs?

Khi đó 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 mình không biết điều gì sẽ xảy ra 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 chíp máy tính bạn chạy với tôc độ chóng mặt hay một cơ chế cho phép bạn du hành vũ trụ [IMG]images/smilies/4.gif[/IMG].

View more random threads:

• Does God play die - Chúa có chơi trò xúc xắc?
• Chuỗi bài viết tìm hiểu về ánh sáng trong thiên văn học - Tại sao mọi vật lại có màu sắc khác nhau?
• Các yếu tố quyết định đến chất lượng ảnh của vật kính trong kính thiên văn.
• 399 kiểu mẫu thiết kế nội thất chung cư đẹp nhất năm 2019
• Nhị Thập Bát Tú - bản đồ bầu trời sao của người Trung Hoa cổ
• Định nghĩa khoa học về lỗ đen trong vũ trụ
• Mẫu thiết kế nội thất này rất đẹp, mọi người tham khảo nhé
• Tìm hiểu về du hành thời gian
• 3 nguyên nhân làm cho mặt trăng, mặt trời to hơn khi ở gần đường chân trời.
• Phát hiện ra hạt Higgs có lợi gì?

[nd0047]

By Tom Siegfried

Nhiều thập kỷ trôi qua, các nhà vật lý đã hữa với cả thế giới rằng việc xây dựng một cỗ máy cực lớn là đáng đồng tiền bát gạo với chi phí có thể lên tới hàng tỷ đô la Mỹ. Cỗ máy này sẽ nhắm vào không gian trống rỗng để khám phá ra một hạt cơ bản đầy bí ẩn được gọi là Higgs boson. Sau nhiều năm khởi đầu sai lầm và thất vọng đi kèm với nó là gợi mở và hy vọng, hạt Higgs cuối cùng cũng đã được tìm thấy tại Large Hadron Collider (LHC) đặt tại bên ngoài thành phố Geneva (Thụy Sĩ). Đây quả thực là một sự kiện đáng ăn mừng, do đó chúng ta sẽ cùng đi tìm hiểu hạt Higgs là gì và tại sao nó lại quan trọng đến như vậy.


Vai trò của hạt Higgs trong vũ trụ
Kể từ khi các nhà khoa học cho thấy vũ trụ bắt đầu với một vụ nổ lớn, thì một số khác lại thắc mắc làm thế nào để các chuyển động hỗn loạn ban đầu với nhiệt độ cực cao lại bị nguội dần đi và trở thành một một lâu đài vũ trụ với cấu trúc phức tạp. Từ một quả cầu lửa không hình dạng của vụ nổ Bigbang, các nguyên tử bằng cách nào đó đã kết hợp lại với nhau để tạo lên các thiên hà ngập tràn các ngôi sao và hành tinh. Khi các nhà vật lý xây dựng các phương trình để mô tả sự chi phối của các hạt cơ bản và trường lực lên quá trình hình thành này, một cái gì đó đang tồn tại thực sự nhưng chưa được tìm thấy, đó là không có hạt cơ bản nào chịu trách nhiệm về khối lượng.
Năm 1964, nhà vật lý Peter Higgs thuộc Đại Học Edinburgh đã đưa ra đề xuất: ở thời điểm sơ khai (có thể là ở thời điểm một phần nghìn tỷ giây sau đó) vũ trụ đã diễn ra một quá trình chuyển pha. Cũng giống như cách một thanh sắt đột nhiên biến thành nam châm khi nhiệt độ giảm quá một ngưỡng nhất định, bản thân không gian cũng thu được một tính chất mới. Thay vì trường điện từ của nam châm thì ở đây không gian sẽ phải được bao phủ bởi một trường lực mới. Trường Higgs vì thế đã được ra đời.
Ở thời điểm đó, các nhà khoa học khác cũng tính toán ra kết quả tương tự, và kết quả sau đó đã cho thấy pha chuyển giao của hạt Higgs đã giải thích sự thống nhất tuyệt vời của hai lực cơ bản trong tự nhiên: lực điện-từ trường và lực hạt nhân yếu.

Mô hình chuẩn

Trước khi trường Higgs xuất hiện trong chân không, hai lực ở trên là một và không thể tách rời. Tất cả các hạt cơ bản của vật chất và trường lực trong mô hình toán học (Mô hình chuẩn) đều không xuất hiện yếu tố khối lượng. Sau đó hạt ánh sáng, hay photon cũng vẫn không có khỗi lượng và có vai trò truyền lực điện từ. Hạt truyền lực hạt nhân yếu và các hạt vật chất như electron, các quark thì lại có khối lượng.
Các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp phân tích khác nhau để giải thích điều gì đã xảy ra. Về nguyên lý, các hạt cơ bản di chuyển qua không gian thì ít nhiều sẽ bị cản trở bởi sự có mặt của trường Higgs. Một vài trong số đó, ví dụ như photon, lại không hề bị cản trở và do vậy nó không có khối lượng, còn một số khác thì bị trường Higg cản lại giống như quả bóng bowling lăn qua bùn vậy. Sự cản trở chuyển động này (hay nói đúng hơn là sự thay đổi chuyển động) chính là định nghĩa của quán tính, còn quán tính lại chính là định nghĩa của khối lượng.

Đánh thức trường Higgs
Với trường Higgs, các nhà vật lý đã hoàn thiện được mô hình chuẩn, một mô hình mô tả chính xác các biểu hiện của tất các hạt cơ bản cũng như các trường lực đã biết, ngoại trừ trường hấp dẫn. Tuy nhiên họ vẫn thiếu chứng cớ để chứng minh sự tồn tại của trường Higgs. Chỉ có một phương pháp chắc chắn có thể thẩm tra tính hợp lệ của mô hình chuẩn: đó là khám phá một hạt - Higgs boson - hạt đã tạo ra trường Higgs.

Trong mô hình chuẩn, tất cả các hạt là một cái gì đó giống như những điểm nút trong một trường cơ sở, còn trường này thì lại được tạo ra bởi một nồng độ năng lượng vừa đủ. Nhiều bằng chứng khác nhau đã gởi ý rằng khối lượng của Higgs boson là rất lớn, có nghĩa là cần rất nhiều năng lượng để tạo ra một hạt Higgs. Chính vì vại Large Hadron Collider đã được thiết kế để tạo ra các vụ va chạm giữa các proton với năng lượng vượt qua khỏi mức vài nghìn tỷ electron volt. Nếu một Higgs boson được tạo ra nó sẽ tồn tại trong thời gian quá ngắn ngủi để có thể phát hiện. Tuy nhiên sự phân rã của nó lại có thể giúp chúng ta làm điều này. Chính vì điều này LHC đã được sinh ra để thực hiện nhiệm vụ cao cả đó. Các thiết bị dò tìm của LHC sẽ ghi lại các sản phẩm phân rã của Higgs theo những chiều hướng khác nhau bao gồm (như trong hình trên): một là tạo ra Z boson sau đó tạo ra 4 lepton (electron, positron, muon và antimuon); và một chiều hướng khác là nó kết thúc bằng cách tạo ra 2 photon. Phân tích những mảnh vỡ này đã chỉ ra cho chúng ta thấy khối lượng của bản thân Higgs boson đã khoảng 125 tỷ electron volt, tương đương với khối lượng của 133 proton.

Tiếp tục va chạm

Trong khi hạt Higgs đã điền vào chỗ còn trống trong mô hình chuẩn, cuộc tìm kiến để hiểu được vật chất và năng lượng của chúng ta hiện tại vẫn chưa đến hồi kết thúc. Vẫn còn một yếu tố đó là Trường hấp dẫn chưa kết hợp được vào bức tranh này. Và các nhà khoa học biết rằng vũ trụ vẫn đang ẩn chứa nhiều vật chất hơn rất nhiều những gì mà mô hình chuẩn có thể đáp ứng. Chúng ta vẫn cần phải tìm ra những mảnh ghép hoàn toàn mới cho bức tranh để có thể giải thích được vật chất tối đang lẩn trốn trong không gian, lượng vật chất tối này có số lượng lớn hơn rất nhiều lần vật chất thông thường. Và rất có thể LHC sẽ lại tiếp tục khám phá ra những hạt cơ bản này. Các nhà lý thuyết cho rằng những hạt cơ bản này có thể được mô tả bởi một cơ sở toán học siêu đối xứng, trong đó nó thừa nhận mỗi hạt cơ bản chúng ta đã biết đều có một hạt đi kèm với nó dưới dạng bóng - a shadow partner particle (như mô tả ở hình trên). Nếu như vậy, sẽ có nhiều hơn một trường Higgs lấp đầy trong không gian, như vậy có nghĩa là Higgs boson vẫn đang chờ ai đó trong chúng ta khám phá ra chúng.

Nguồn ScienceNews