Higgs boson là gì? Tại sao được gọi là “Hạt của Chúa”

Hạt cuối cùng được phát hiện vào ngày 4 tháng 7 năm 2012, bởi các nhà nghiên cứu tại Máy va chạm Hadron Lớn (LHC) – máy gia tốc hạt mạnh nhất trên thế giới – đặt tại phòng thí nghiệm vật lý hạt châu Âu CERN, Thụy Sĩ.

LHC đã xác nhận sự tồn tại của trường Higgs và cơ chế tạo ra khối lượng và do đó đã hoàn thành mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt – mô tả tốt nhất mà chúng ta có về thế giới hạ nguyên tử.

Robert Lea là một nhà báo khoa học và là nhà văn đóng góp cho Space.com. Ông có bằng cử nhân khoa học về vật lý và thiên văn học tại Đại học Mở của Vương quốc Anh.

Khi các nhà khoa học tiến gần đến cuối thế kỷ 20, những tiến bộ trong vật lý hạt đã trả lời nhiều câu hỏi xoay quanh các khối cơ bản của tự nhiên. Tuy nhiên, khi các nhà vật lý dần dần đưa vào vườn thú hạt các electron, proton, boson và tất cả các hương vị của hạt quark, một số câu hỏi cấp bách vẫn chưa được giải đáp. Trong số này, tại sao một số hạt có khối lượng?

Hạt Higgs boson là gì?

Boson Higgs có khối lượng 125 tỷ electron vôn (mở trong tab mới) – có nghĩa là nó nặng hơn 130 lần so với một proton, theo CERN (mở trong tab mới). Nó cũng không cháy với spin bằng không – một cơ lượng tử tương đương với mômen động lượng. Higgs Boson là hạt cơ bản duy nhất không có spin.

Boson là một hạt “hạt mang lực” phát huy tác dụng khi các hạt tương tác với nhau, với một boson được trao đổi trong quá trình tương tác này. Ví dụ, khi hai electron tương tác, chúng sẽ trao đổi một photon – hạt mang lực của trường điện từ.

Bởi vì lý thuyết trường lượng tử mô tả thế giới vi mô và các trường lượng tử lấp đầy vũ trụ bằng cơ học sóng, boson cũng có thể được mô tả như một sóng trong một trường.

Vì vậy, một photon là một hạt và một sóng phát sinh từ trường điện từ bị kích thích và boson Higgs là hạt hay “biểu hiện lượng tử hóa” phát sinh từ trường Higgs khi bị kích thích. Trường đó tạo ra khối lượng thông qua tương tác của nó với các hạt khác và cơ chế được thực hiện bởi boson Higgs được gọi là cơ chế Brout-Englert-Higgs.

Tại sao hạt Higgs được gọi là ‘Hạt của Chúa?’

Biệt hiệu của boson Higgs “Hạt của Chúa” đã được củng cố sau khi phát hiện ra nó, cụ thể là do các phương tiện truyền thông đại chúng. Nguồn gốc của điều này thường liên quan đến việc nhà vật lý đoạt giải Nobel, Leon Lederman gọi boson Higgs là “Hạt chết tiệt” trong sự thất vọng về mức độ khó phát hiện của nó.

Business Insider (mở trong tab mới) nói rằng khi Lederman là tác giả của một cuốn sách về boson Higgs vào những năm 1990, tựa đề là “The Goddamn Particle” nhưng các nhà xuất bản đã đổi nó thành “The God Particle” và mối liên hệ rắc rối với tôn giáo là được vẽ, một trong những điều làm phiền các nhà vật lý cho đến ngày nay.

Tuy nhiên, thật khó để đánh giá quá cao tầm quan trọng của boson Higgs và trường Higgs nói chung, vì nếu không có khía cạnh này của tự nhiên thì không hạt nào có khối lượng. Điều đó có nghĩa là không có ngôi sao, không có hành tinh và không có chúng ta – điều gì đó có thể giúp đảm bảo biệt danh hypebol của nó.

Tại sao phát hiện hạt Higgs boson lại quan trọng?

Năm 1964, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu sử dụng lý thuyết trường lượng tử để nghiên cứu lực hạt nhân yếu (mở trong tab mới) – xác định sự phân rã nguyên tử của các nguyên tố bằng cách biến đổi proton thành neutron – và lực của nó mang các boson W và Z.

Các vật mang lực yếu nên không có khối lượng, và nếu chúng không có nguy cơ phá vỡ một nguyên tắc tự nhiên gọi là đối xứng – giống như tính đối xứng của một hình đảm bảo nó trông giống nhau nếu nó được quay hoặc lật – đảm bảo các quy luật tự nhiên là tuy nhiên chúng được xem như nhau. Việc đặt khối lượng một cách tùy ý lên các hạt cũng gây ra một số dự đoán nhất định có xu hướng đến vô cùng.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu biết rằng vì lực yếu rất mạnh trong các tương tác trong khoảng cách ngắn – mạnh hơn nhiều so với lực hấp dẫn – nhưng lại rất yếu trong các tương tác dài hơn, các boson của nó phải có khối lượng.

Giải pháp được đề xuất bởi Peter Higgs François Englert và Robert Brout, vào năm 1964 là một lĩnh vực mới và là một cách để “đánh lừa” thiên nhiên phá vỡ đối xứng một cách tự phát.

Nhưng câu chuyện liên quan:

– Các nhà vật lý phát hiện ra hạt chưa từng thấy trước đây nằm trên mặt bàn

– Một thập kỷ khoa học và hàng nghìn tỷ vụ va chạm cho thấy boson W có khối lượng lớn hơn dự kiến ​​- một nhà vật lý trong nhóm giải thích ý nghĩa của nó đối với Mô hình Chuẩn

– Mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt có thể bị phá vỡ – một chuyên gia giải thích

Một bài báo từ CERN (mở trong tab mới) so sánh điều này với một cây bút chì đang đứng trên đầu của nó – một hệ thống đối xứng – đột nhiên nghiêng sang một hướng ưu tiên phá hủy tính đối xứng của nó. Higgs và nhà vật lý đồng nghiệp của ông đã đề xuất rằng khi vũ trụ được sinh ra, nó chứa đầy trường Higgs ở trạng thái đối xứng, nhưng không ổn định – giống như chiếc bút chì cân bằng một cách bấp bênh.

Trường nhanh chóng, chỉ trong vài phần giây, tìm thấy một cấu hình ổn định, nhưng điều này trong quá trình này phá vỡ tính đối xứng của nó. Điều này làm phát sinh cơ chế Brout-Englert-Higgs trao khối lượng cho các boson W và Z.

Điều sau này được phát hiện về trường Higgs là nó không chỉ cung cấp khối lượng cho các boson W và Z mà còn cung cấp khối lượng cho nhiều hạt cơ bản khác. Nếu không có trường Higgs và cơ chế Brout-Englert-Higgs, tất cả các hạt cơ bản sẽ chạy quanh vũ trụ với tốc độ ánh sáng. Lý thuyết này không chỉ giải thích tại sao các hạt có khối lượng mà còn giải thích tại sao chúng có khối lượng khác nhau.

Các hạt tương tác – hay còn gọi là “cặp đôi” – với trường Higgs mạnh hơn sẽ được cấp khối lượng lớn hơn. Ngay cả bản thân boson Higgs cũng nhận được khối lượng của nó từ sự tương tác của chính nó với trường Higgs. Điều này đã được xác nhận bằng cách xem các hạt boson Higgs phân rã như thế nào.

Một hạt không được trường Higgs cấp cho khối lượng là hạt cơ bản của ánh sáng – photon. Điều này là do sự phá vỡ đối xứng tự phát không xảy ra đối với các photon như đối với các hạt mang lực đồng loại của nó là boson W và Z.

Hiện tượng tăng khối lượng này cũng chỉ áp dụng cho các hạt cơ bản như electron và quark. Các hạt như proton – được tạo thành từ các quark – nhận phần lớn khối lượng của chúng từ năng lượng liên kết giữ các thành phần của chúng lại với nhau.

Trong khi tất cả điều này phù hợp với lý thuyết, bước tiếp theo là khám phá bằng chứng về trường Higgs bằng cách phát hiện hạt mang lực của nó. Trên thực tế, thực hiện điều này sẽ không phải là một nhiệm vụ đơn giản, nó sẽ đòi hỏi một thí nghiệm lớn nhất và cỗ máy phức tạp nhất trong lịch sử loài người.

Bằng cách này, bản thân việc tìm kiếm boson Higgs đã đẩy cả công nghệ máy gia tốc và máy dò hạt đến giới hạn của nó – với biểu hiện cuối cùng của điều này là Máy va chạm Hadron Lớn (LHC).

Khám phá Higgs boson và mô hình chuẩn

Việc phát hiện boson Higgs không chỉ là vấn đề thiết lập một máy dò và chờ đợi một máy dò tìm đến. Những hạt này chỉ tồn tại trong điều kiện năng lượng cao của vũ trụ sơ khai.

Điều đó có nghĩa là trước khi phát hiện ra hạt này, các điều kiện năng lượng cao này phải được tái tạo và boson Higgs phải được tạo ra. LHC thực hiện điều này bằng cách tăng tốc các proton đến tốc độ gần ánh sáng và đập chúng lại với nhau.

Điều này tạo ra một dòng thác các hạt nhanh chóng phân rã thành các hạt nhẹ hơn. Boson Higgs phân rã quá nhanh nên không thể phát hiện được và thay vào đó được xác định bằng cách phát hiện sự phân rã hạt cho thấy một hạt không có spin và phù hợp với các dự đoán lý thuyết về boson bị thiếu này.

Hạt được phát hiện bằng cả máy dò LHC ATLAS và máy dò Compact Muon Solenoid (CMS).

Thông báo về việc phát hiện ra hạt Higgs được đưa ra tại CERN ở Geneva vào ngày 4 tháng 7 năm 2012. Phải đến tháng 3 năm sau, hạt mới được phát hiện này có thực sự là hạt Higgs.

Bằng cách tiết lộ hạt này, được dự đoán bởi mô hình chuẩn, việc khám phá ra hạt Higgs đã hoàn thành bức tranh về thế giới hạ nguyên tử này. Vẫn còn những bí ẩn ngoài lý thuyết này, chẳng hạn như bản chất của vật chất tối mà hạt Higgs – thông qua các đặc tính độc đáo của nó – có thể giúp giải đáp.

Khai phá hạt Higgs Boson sau phát hiện 2012

Một năm sau khi phát hiện ra boson Higgs, Peter Higgs và François Englert đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2013, cho lý thuyết trường Higgs của họ.

Ủy ban Nobel đã viết về giải thưởng: “cho khám phá lý thuyết về một cơ chế góp phần vào sự hiểu biết của chúng ta về nguồn gốc khối lượng của các hạt hạ nguyên tử, và điều này gần đây đã được xác nhận thông qua việc phát hiện ra hạt cơ bản được dự đoán, bằng các thí nghiệm ATLAS và CMS tại Máy va chạm Hadron Lớn của CERN. ”

Việc phát hiện ra hạt boson Higgs có thể đã hoàn thành mô hình chuẩn nhưng đây không phải là phần cuối của cuộc điều tra về hạt khó nắm bắt này. Một trong những khám phá quan trọng được thực hiện kể từ năm 2012 liên quan đến việc xác nhận sự phân rã của hạt Higgs.

Và cuộc điều tra về hạt khó nắm bắt này sẽ sâu hơn trong lần chạy 3 của LHC và đặc biệt là khi việc nâng cấp độ sáng cao của máy gia tốc hạt được hoàn thành vào năm 2029.

Điều này sẽ cho phép LHC tiến hành nhiều vụ va chạm hơn, cung cấp cho các nhà nghiên cứu nhiều cơ hội hơn để phát hiện vật lý kỳ lạ bao gồm các hiện tượng nằm ngoài mô hình tiêu chuẩn.

CERN ước tính rằng sau khi nâng cấp mỗi năm, máy gia tốc sẽ tạo ra 15 triệu hạt này. Con số này được so sánh với 3 triệu boson Higgs do LHC tạo ra vào năm 2017. Đây có thể là chìa khóa để phát hiện các “hương vị” khác của boson Higgs.

Các lý thuyết vượt ra ngoài mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt cũng dự đoán có tới 5 loại boson Higgs khác nhau có thể được tạo ra không thường xuyên hơn boson Higgs sơ cấp. Ngay cả trước khi nâng cấp, các nhà khoa học đã cung cấp cho chúng ta bằng chứng về một “boson Higgs từ tính”.