Trong phần trước, chúng ta đã đi qua những tiền đề và khó khăn mà Peter Higgs gặp phải trên hành trình đưa hạt Higgs hay trường Higgs trở thành một lý luận khoa học sắc bén và dừng lại ở câu hỏi “làm thế nào để ta có thể kiểm chứng được trường Higgs?”. Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu về cách thức hạt Higgs được tìm thấy trong thực nghiệm như thế nào và giờ phút lịch sử khi sự tồn tại của nó chính thức được thế giới công nhận.
Đây chính là lúc máy gia tốc lớn Hadron ( gọi tắt là LHC) xuất hiện. Cỗ máy nằm uốn khúc hàng trăm mét dưới Geneva, Thụy Sĩ, vượt qua cả biên giới Pháp và vòng trở lại. LHC là một đường ống dài gần 17 dặm, được tạo ra như một đường đua để các hạt vật chất va chạm vào nhau. Các hạt photon (hạt ánh sáng) được cho chạy vòng trong trong đường hầm theo cả hai hướng, và gia tốc bằng nam châm đến vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Tại vận tốc đó, các hạt photon sẽ vòng quanh đường hầm khoảng 11000 lần/ giây, và khi được điều chỉnh hướng bởi nam châm, chúng tạo ra hàng triệu va chạm trong nháy mắt. Các va chạm này, sẽ tạo ra những tia hạt như pháo hoa nổ và một máy dò khổng lồ sẽ tóm bắt và lưu trữ những hình ảnh này lại.
Một trong những mục đích chính của LHC, cỗ máy tiêu tốn đến 10 tỷ $ và quy tụ hàng ngàn nhà khoa học đến từ khắp nơi trên thế giới, chính là để phát hiện ra dấu vết của trường Higgs. Toán học đã cho thấy, nếu ý tưởng này là đúng, và chúng ta thực sự đang chìm trong một “đại dương” hạt Higgs, thì những va chạm của các hạt sẽ làm lung lay trường này, giống như hai tàu ngầm húc nhau ở dưới đáy biển và sẽ làm lay động vùng nước xung quanh chúng. Và hiển nhiên, sự rung lắc này sẽ làm văng các hạt của trường này- những giọt nước rất nhỏ trong “đại dương” Higgs- chính là những hạt Higgs mà chúng ta vẫn luôn mong đợi.
Tính toán cho thấy, hạt Higgs sẽ không bền vững, mà sớm tan rã thành các hạt khác trong một khoảng một phần rất nhỏ của một giây. Trong vòng xoáy của các hạt va đập và đám mây cuồn cuộn các mảnh vụn (của hạt sau va đập), các nhà khoa học với máy tinh siêu mạnh sẽ tìm kiến dấu vết của hạt Higgs- một hình mẫu của các sản phẩm phân rã, chi phối bởi các phương trình toán học.
Vào sáng sớm ngày 4/6/2012, tôi cùng với khoảng 20 thành viên tích cực đã tập trung trong phòng hội nghị tại Trung Tâm Vật Lý Aspen để chứng kiến truyền hình trực tiếp của buổi họp báo tại cơ sở LHC (Large Hadron Collider) tại Geneva. Khoảng 6 tháng trước, hai nhóm nghiên cứu riêng biệt chịu trách nhiệm thu thập và xử lý dữ liệu của LHC đã cho thấy một dấu hiệu mạnh mẽ rằng hạt Higgs đã được tìm thấy. Một lời đồn đã lan khắp cộng đồng Vật Lý, đó là các nhóm nghiên cứu cuối cùng cùng đã có đủ bằng chứng để đưa ra một tuyên bố dứt khoát. Cùng với việc chính bản thân Peter Higgs cũng được mời đến Geneva, quả thực đây là động lực mạnh mẽ, đủ để chúng tôi thức đến tận 3 giờ sáng để nghe thông báo trực tiếp.
Cũng như thế giới đã biết, bằng chứng rằng hạt Higgs được phát hiện đủ mạnh để bước qua ngưỡng cửa của khám phá khoa học đơn thuần. Với việc hạt Higgs chính thức được tìm thấy, toàn bộ khán giả tại Geneva vỗ tay như sấm dậy, chính chúng tôi, những người ở Aspen hay những nhóm khác trên toàn thế giới cũng thế. Và trong khoảnh khắc, Peter Higgs đã khẽ lau nước mắt.
Với một năm tìm hiểu muộn màng, và thu thập những dữ liệu bổ sung để làm cho giả thuyết về hạt Higgs mạnh mẽ hơn, nay tôi (người viết bài) xin được tóm tắt lại những ý nghĩa quan trọng nhất của khám phá khoa học này như dưới đây.
Đầu tiên, chúng ta đều sớm biết rằng, trong không gian tồn tại những “cư dân vô hình”. Chính là sóng radio và sóng vô tuyến, từ trường trái đất, lực hút trọng trường. Thế nhưng không có thứ nào trong đó là vĩnh viễn cả. Không có thứ nào là không thay đổi, không có thứ nào xuất hiện đồng nhất xuyên suốt cả vũ trụ. Thế nhưng, trường Higgs thì lại khác (về cơ bản). Chúng tôi tin rằng giá trị của trường Higgs trên Trái Đất, gần sao Thổ, trong vành đai Orion, xuyên qua thiên hà Andromeda và bất cứu nơi nào khác, đều như nhau. Và chúng ta có thể nói rằng, trường Higgs không thể biến mất trên “nền” không gian.
Thứ hai, hạt Higgs đại diện cho một hình dạng mới của vật chất, thứ mà đã được dự đoán rộng rãi trong hàng thập kỷ nhưng chưa từng được nhìn thấy. Đầu thế kỷ 20, các nhà vật lý đã nhận ra rằng hạt vật chất, ngoài khối lượng và điện tích, còn có một đặc điểm khác: tính quay. Khác với các “con quay” (đồ chơi của những đứa trẻ), tính quay của hạt vật chất là một đặc điểm nội tại và không bị thay đổi. Trải qua dù bao nhiêu thời gian, nó cũng không nhanh hơn, cũng như không hề chậm đi. Điện tử và hạt quarks đều có cùng giá trị quay, trong khi giá trị quay của photons (hạt ánh sáng) thì gấp hai lần của điện tử và hạt quarks. Phương trình mô tả hạt Higgs đã cho thấy rằng- khác với các loại hạt cơ bản khác- hạt Higgs không có tính quay. Dữ liệu thu được từ Máy Gia Tốc Hadron đã xác nhận điều đó.
Việc xác lập một trạng thái mới của vật chất là một thành tựu hiếm có trong Vật Lý Học. Thế nhưng kết quả của thành tựu này lại có tính cộng hưởng với một lĩnh vực nghiên cứu khác : Vũ Trụ Học – ngành khoa học nghiên cứu về sự hình thành và phát triển của toàn vũ trụ từ lúc sơ khai đến khi tạo thành hình dạng hiện tai. Trong nhiều năm, thuyết Big Bang (vụ nổ lớn) mà các nhà vũ trụ học nghiên cứu đã bị trở ngại. Mặc dù họ (các nhà vũ trụ học) đã tập hợp với nhau tạo thành một mô tả khá chắc chắn về việc vũ trụ phát triển như thế nào, kể từ khoảnh khắc rất ngắn sau khi hình thành. Thế nhưng họ vẫn chưa thể đưa ra một giải thích hợp lý nào cho hiện tượng giãn nở của vũ trụ (kể từ khi hình thành). Loại lực nào có thể đủ mạnh đến mức tạo ra cú đẩy mạnh mẽ như vậy? Thuyết Big Bang (vụ nổ lớn) xem chừng vẫn còn thiếu giải thích về “nổ” (Bang) để đạt tới thành công thực sự.
<Còn tiếp>
Người dịch: Trungmaster, theo Smithsonian
[…] phần trước, chúng ta đã tìm hiểu sơ qua về máy gia tốc cỡ lớn Hadron (LHC) và khoảnh khắc […]