Cách đây hơn hai năm, Máy Va chạm Hadron Lớn đã khởi động cuộc tìm kiếm boson Higgs. Nhưng cuộc săn lùng hạt Higgs thực sự đã bắt đầu từ nhiều thập kỷ trước với việc nhận ra một câu đố cần giải quyết, một vấn đề liên quan nhiều hơn chỉ là hạt Higgs.
Một sự bất đối xứng hấp dẫn
Nhiệm vụ bắt đầu với sự đối xứng, khái niệm thẩm mỹ làm hài lòng rằng một cái gì đó có thể được lật và trông vẫn giống nhau. Đó là một vấn đề của kinh nghiệm hàng ngày rằng các lực của tự nhiên hoạt động theo cùng một cách nếu trái được hoán đổi với phải; các nhà khoa học nhận thấy điều này cũng đúng, ở cấp độ hạ nguyên tử, khi hoán đổi cộng điện tích cho điện tích âm và thậm chí để đảo ngược dòng chảy thời gian. Nguyên tắc này dường như cũng được hỗ trợ bởi hành vi của ít nhất ba trong số bốn lực lượng chính chi phối sự tương tác của vật chất và năng lượng.
Với việc phát hiện ra những gì có khả năng là boson Higgs ban cho hàng loạt, gia đình của các hạt cơ bản chi phối hành vi của vật chất và năng lượng hiện đã hoàn tất. Tín dụng hình ảnh: Dịch vụ Infomedia SLAC.
Năm 1956, Tsung-Dao Lee của Đại học Columbia và Chen-Ning Yang của Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven đã xuất bản một bài báo đặt câu hỏi liệu một hình thức đối xứng cụ thể, được gọi là đối xứng hoặc đối xứng gương, được tổ chức cho lực lượng thứ tư, một trong những điều khiển các tương tác yếu mà gây ra sự phân rã hạt nhân. Và họ đề xuất một cách để tìm hiểu.
Chuyên gia thực nghiệm Chiến-Shiung Wu, một đồng nghiệp của Lee Lốc tại Columbia, đã tham gia thử thách. Cô đã sử dụng sự phân rã của Cobalt-60 để chỉ ra rằng các tương tác yếu thực sự phân biệt giữa các hạt quay sang trái và phải.
Kiến thức này, kết hợp với một phần còn thiếu, sẽ khiến các nhà lý thuyết đề xuất một hạt mới: hạt Higgs.
Khối lượng đến từ đâu?
Năm 1957, một manh mối khác đến từ một lĩnh vực dường như không liên quan. John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer đã đề xuất một lý thuyết giải thích tính siêu dẫn, cho phép một số vật liệu nhất định dẫn điện mà không có điện trở. Nhưng lý thuyết BCS của họ, được đặt theo tên của ba nhà phát minh, cũng chứa một thứ có giá trị đối với các nhà vật lý hạt, một khái niệm gọi là phá vỡ đối xứng tự phát. Các chất siêu dẫn chứa các cặp electron thấm vào kim loại và thực sự tạo ra khối lượng cho các photon truyền qua vật liệu. Các nhà lý thuyết cho rằng hiện tượng này có thể được sử dụng như một mô hình để giải thích làm thế nào các hạt cơ bản thu được khối lượng.
Năm 1964, ba bộ lý thuyết gia đã xuất bản ba bài báo riêng trong Tạp chí Vật lý, một tạp chí vật lý uy tín. Các nhà khoa học là Peter Higgs; Robert Brout và Francois Englert; và Carl Hagen, Gerald Guralnik và Tom Kibble. Kết hợp lại với nhau, các bài báo cho thấy rằng sự phá vỡ đối xứng tự phát thực sự có thể tạo ra khối lượng hạt mà không vi phạm tính tương đối đặc biệt.
Năm 1967, Steven Weinberg và Abdus Salam ghép các mảnh lại với nhau. Làm việc từ một đề xuất trước đó của Sheldon Glashow, họ đã phát triển độc lập một lý thuyết về các tương tác yếu, được gọi là lý thuyết GWS, kết hợp sự bất đối xứng của gương và tạo khối cho tất cả các hạt thông qua một trường thấm vào tất cả không gian. Đây là trường Higgs. Lý thuyết rất phức tạp và không được thực hiện nghiêm túc trong vài năm. Tuy nhiên, vào năm 1971, Gerard `t Hooft và Martinus Veltman đã giải quyết các vấn đề toán học của lý thuyết, và đột nhiên nó trở thành lời giải thích hàng đầu cho các tương tác yếu.
Bây giờ là lúc để các nhà thực nghiệm có thể làm việc. Nhiệm vụ của họ: tìm ra một hạt, boson Higgs, chỉ có thể tồn tại nếu trường Higgs này thực sự bao trùm vũ trụ, ban cho khối lượng trên các hạt.
Bắt đầu đi săn
Các mô tả cụ thể về hạt Higgs và ý tưởng về nơi tìm kiếm nó bắt đầu xuất hiện vào năm 1976. Ví dụ, nhà vật lý SLAC James Bjorken đề xuất tìm kiếm hạt Higgs trong các sản phẩm phân rã của boson Z, đã được lý thuyết hóa nhưng sẽ không được phát hiện cho đến khi 1983.
Phương trình nổi tiếng nhất của Einstein, E = mc2, có ý nghĩa sâu sắc đối với vật lý hạt. Về cơ bản, nó có nghĩa là khối lượng bằng năng lượng, nhưng điều thực sự có ý nghĩa đối với các nhà vật lý hạt là khối lượng của hạt càng lớn thì càng cần nhiều năng lượng để tạo ra nó và máy cần thiết để tìm ra nó càng lớn.
Đến thập niên 80, chỉ còn lại bốn hạt nặng nhất: quark đỉnh và các boson W, Z và Higgs. Higgs không phải là lớn nhất trong bốn người - vinh dự đó thuộc về quark hàng đầu - nhưng đó là điều khó nắm bắt nhất, và sẽ có những va chạm mạnh mẽ nhất để tiêu diệt. Máy va chạm hạt sẽ không hoạt động trong một thời gian dài. Nhưng họ bắt đầu lẻn vào mỏ đá của mình bằng các thí nghiệm bắt đầu loại trừ các khối lượng khác nhau có thể cho hạt Higgs và thu hẹp vương quốc nơi nó có thể tồn tại.
Vào năm 1987, Vòng lưu trữ điện tử Cornell đã thực hiện các tìm kiếm trực tiếp đầu tiên cho boson Higgs, ngoại trừ khả năng nó có khối lượng rất thấp. Năm 1989, các thí nghiệm tại SLAC và CERN đã thực hiện các phép đo chính xác về các tính chất của boson Z. Những thí nghiệm này đã củng cố lý thuyết GWS về các tương tác yếu và đặt ra nhiều giới hạn hơn về phạm vi khối lượng có thể có của hạt Higgs.
Sau đó, vào năm 1995, các nhà vật lý tại Fermilab Lần Tevatron đã tìm thấy quark lớn nhất, trên cùng, chỉ còn lại hạt Higgs để hoàn thành bức tranh của Mô hình Chuẩn.
Đóng cửa
Trong những năm 2000, vật lý hạt bị chi phối bởi việc tìm kiếm hạt Higgs bằng bất kỳ phương tiện nào có sẵn, nhưng không có máy va chạm có thể đạt được năng lượng cần thiết, tất cả những cái nhìn thoáng qua của hạt Higgs vẫn chỉ là - thoáng nhìn. Vào năm 2000, các nhà vật lý tại Máy gia tốc điện tử lớn (LEP) của Cern đã tìm kiếm không thành công cho hạt Higgs có khối lượng lên tới 114 GeV. Sau đó, LEP đã ngừng hoạt động để nhường chỗ cho Máy va chạm Hadron Lớn, giúp điều khiển các proton va chạm trực diện với năng lượng cao hơn nhiều so với trước đây.
Trong suốt những năm 2000, các nhà khoa học tại Tevatron đã nỗ lực anh hùng để khắc phục nhược điểm năng lượng của họ với nhiều dữ liệu hơn và cách tốt hơn để xem xét nó. Vào thời điểm LHC chính thức bắt đầu chương trình nghiên cứu vào năm 2010, Tevatron đã thành công trong việc thu hẹp tìm kiếm, nhưng không phát hiện ra chính hạt Higgs. Khi Tevatron ngừng hoạt động vào năm 2011, các nhà khoa học đã để lại một lượng dữ liệu khổng lồ và phân tích sâu rộng, được công bố vào đầu tuần này, đưa ra một cái nhìn thoáng hơn về một hạt Higgs vẫn còn xa.
Năm 2011, các nhà khoa học tại hai thí nghiệm LHC lớn, ATLAS và CMS, đã tuyên bố họ cũng đang tiến gần đến hạt Higgs.
Sáng hôm qua, họ đã có một thông báo khác để thực hiện: Họ đã phát hiện ra một boson mới - một loại có thể, sau khi nghiên cứu thêm, chứng minh là chữ ký được tìm kiếm từ lâu của lĩnh vực Higgs.
Việc phát hiện ra hạt Higgs sẽ là khởi đầu của một kỷ nguyên mới trong vật lý. Câu đố lớn hơn nhiều so với chỉ một hạt; vật chất tối và năng lượng tối và khả năng siêu đối xứng vẫn sẽ vẫy gọi người tìm kiếm ngay cả khi Mô hình Chuẩn hoàn thành. Vì trường Higgs được kết nối với tất cả các câu đố khác, chúng tôi sẽ không thể giải chúng cho đến khi chúng tôi biết bản chất thực sự của nó. Đó là màu xanh của biển hay màu xanh của bầu trời? Có phải là vườn hoặc lối đi hoặc xây dựng hoặc thuyền? Và làm thế nào để nó thực sự kết nối với phần còn lại của câu đố?
Vũ trụ đang chờ đợi.
bởi Lori Ann White
Tái xuất bản với sự cho phép của Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC.