Vũ trụ chúng ta đang sống chứa đầy vô số dạng vật chất. Từ chiếc bàn trước mắt, không khí chúng ta hít thở cho đến chính bản thân chúng ta, mọi thứ đều có khối lượng. Nhưng một trong những câu hỏi cơ bản nhất của vật lý học là: "Rốt cuộc, tại sao các hạt lại có khối lượng?" Nếu không có khối lượng, mọi hạt sẽ lang thang trong vũ trụ với tốc độ ánh sáng và không thể liên kết với nhau để tạo thành nguyên tử hay phân tử. Nói cách khác, vũ trụ dưới hình thức mà chúng ta biết sẽ không thể tồn tại.
Chìa khóa giải đáp bí ẩn lớn lao này chính là "boson Higgs (Higgs Boson)". Thường được gọi bằng biệt danh "hạt của Chúa", hạt này có liên quan đến cơ chế giúp các hạt cơ bản như electron và quark có được khối lượng. Là mảnh ghép cuối cùng để hoàn thiện "Mô hình Chuẩn (Standard Model)", lý thuyết hoàn chỉnh nhất của vật lý hạt, boson Higgs cuối cùng đã được phát hiện bằng thực nghiệm vào năm 2012 sau hàng chục năm tồn tại dưới dạng giả thuyết, mở ra chân trời mới cho vật lý hiện đại. Trong tài liệu này, chúng ta sẽ tìm hiểu boson Higgs là gì và nó đã mang lại trọng lượng cho vạn vật như thế nào.
Boson Higgs, mảnh ghép cuối cùng của Mô hình Chuẩn
Để hiểu boson Higgs, trước hết cần tìm hiểu "Mô hình Chuẩn" của vật lý hạt. Mô hình Chuẩn là lý thuyết mô tả những hạt cơ bản nhất cấu thành vũ trụ và ba lực tác dụng giữa chúng: lực điện từ, lực mạnh và lực yếu. Theo lý thuyết này, vũ trụ được tạo thành từ 12 hạt cơ bản (quark và lepton) cùng 4 hạt trung gian (các hạt truyền lực).
Mô hình Chuẩn là một lý thuyết rất thành công, nhưng lại có một điểm yếu nghiêm trọng. Theo lý thuyết, tất cả những hạt cơ bản này đều phải có khối lượng bằng "0". Tuy nhiên, các hạt trong vũ trụ thực tế đều có khối lượng riêng. Để giải quyết mâu thuẫn này, vào năm 1964, Peter Higgs và nhiều nhà vật lý khác đã đề xuất một giả thuyết. Theo đó, toàn bộ vũ trụ chứa đầy một dạng năng lượng vô hình gọi là "trường Higgs (Higgs Field)", và các hạt có được khối lượng khi tương tác với trường này. Dấu vết có thể chứng minh sự tồn tại của trường Higgs chính là "boson Higgs".
Nguồn gốc của khối lượng – sự liên kết với trường Higgs
Quá trình trường Higgs mang lại khối lượng cho các hạt được gọi là "cơ chế Higgs". Về mặt vật lý, có thể hiểu cơ chế này một cách trực quan như sau.
- Tương tác mạnh với trường Higgs (khối lượng lớn): Các hạt nặng như quark đỉnh có mức độ liên kết lớn với trường Higgs, và sự liên kết này gắn với khối lượng lớn. Điều đó không có nghĩa là trường Higgs tạo ra lực ma sát cản trở chuyển động.
- Tương tác yếu với trường Higgs (khối lượng nhỏ): Electron có mức độ liên kết nhỏ với trường Higgs nên có khối lượng nhỏ. Tốc độ chuyển động thực tế thay đổi tùy theo năng lượng và trạng thái chuyển động của hạt.
- Không tương tác (khối lượng 0): Photon không nhận khối lượng thông qua cơ chế Higgs và lan truyền với tốc độ ánh sáng trong chân không.
Khối lượng của electron, quark và các hạt tương tự gắn với sự liên kết với trường Higgs. Đây không phải là hiện tượng mất năng lượng do ma sát khi đi qua trường, cũng không có nghĩa là các hạt có khối lượng lớn luôn chuyển động chậm hơn.
Nắm bắt khoảnh khắc thoáng qua – phát hiện boson Higgs
Trường Higgs trải khắp vũ trụ, nhưng thông thường chúng ta không thể trực tiếp nhìn thấy sự tồn tại của nó. Để chứng minh trường Higgs tồn tại, cần tập trung một lượng năng lượng khổng lồ vào trường này để khiến chính nó dao động. Sóng hoặc hạt xuất hiện khi đó chính là "boson Higgs". Nói cách khác, giống như những giọt nước bắn lên khi ta ném một hòn đá xuống mặt nước phẳng lặng, boson Higgs là hạt được tạo ra khi gây một tác động mạnh lên mặt nước mang tên trường Higgs.
- Va chạm ở năng lượng cực cao: Tại LHC (Máy gia tốc hạt lớn) của Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN), hai proton được cho va chạm với nhau ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.
- Boson Higgs hình thành trong khoảnh khắc: Năng lượng khổng lồ tại điểm va chạm kích thích trường Higgs, tạo ra boson Higgs tồn tại trong khoảng $10^{-22}$ giây.
- Phân rã và phân tích tín hiệu: Ngay sau khi hình thành, boson Higgs phân rã thành các hạt khác (cặp photon, cặp boson Z, v.v.), và các máy dò lần ngược quỹ đạo của những sản phẩm phân rã này để chứng minh sự tồn tại của boson Higgs.
Sau hàng chục năm tìm kiếm, vào ngày 4 tháng 7 năm 2012, các nhà khoa học đã chính thức công bố phát hiện boson Higgs thông qua dữ liệu ghi nhận từ các thí nghiệm tại LHC. Qua đó, cơ chế Higgs đã được chứng minh hoàn toàn bằng thực nghiệm, và Peter Higgs cùng François Englert đã nhận Giải Nobel Vật lý năm 2013.
"Hạt của Chúa" và vũ trụ xa hơn thế
Việc phát hiện boson Higgs là một trong những cột mốc vĩ đại nhất trong lịch sử nhân loại tìm hiểu vũ trụ. Phát hiện này đã xác nhận hạt cuối cùng mà Mô hình Chuẩn dự đoán nhưng trước đó chưa được tìm thấy. Những vấn đề mà chỉ riêng Mô hình Chuẩn chưa thể giải thích đầy đủ, chẳng hạn như khối lượng của neutrino, vẫn còn tồn tại. Trường Higgs đóng vai trò quan trọng đối với khối lượng của các hạt cơ bản như electron và quark. Tuy nhiên, phần lớn khối lượng của proton và neutron bắt nguồn từ năng lượng của tương tác mạnh.
Tuy nhiên, việc phát hiện boson Higgs là một khởi đầu mới chứ không phải điểm kết thúc của hành trình khám phá. Mô hình Chuẩn mô tả tốt vật chất mà chúng ta có thể quan sát, nhưng vẫn chưa đưa ra câu trả lời về "vật chất tối" và "năng lượng tối", vốn chiếm phần lớn vũ trụ. Giờ đây, bằng cách đo đạc chính xác các tính chất của boson Higgs, các nhà vật lý đang tìm kiếm chìa khóa mở ra những miền chưa biết vượt ngoài Mô hình Chuẩn, qua đó giải mã những bí mật mới của vũ trụ.
