Giải Nobel Vật Lý Năm 2013

Giải Nobel năm 2013 công nhận “ Hạt Tử  Thiên Thần - God Particle”:

    Các nhà lý thuyết  boson Higgs đọat giải Nobel vật lý học

                               G S Tôn Thất Trình            

       Tìm kiếm đã nửa thế kỷ

Cách đây gần 50 năm,  hai nhà vật lý học Francois Englert và Peter Higgs  đề nghị độc lập nhau một lý thuyết về những hạt tử  thu  nhận khối lượng – mass .  Các lý thuyết này  đã được xác nhận năm ngóai 2012, khi  các nhà khoa Học Máy Đụng Độ To lớn -Large Hadtron Collider , ngoại ô Thành Phố  Genève- Thụy sĩ dò ra boson Higgs là  hạt tử chánh yếu lý thuyết họ. Ở hình kèm, Máy Đụng Độ  phóng ra 2 luồng protons  hướng vào nhau,  theo gần đến tốc độ ánh sáng.  Bộ xương của máy dò là những vòng thép.  Các nam châm bẻ cong lối đi  của các hạt tử  sạc điện và giúp xác nhận  các lọai hạt tử. Các ổ đĩa cuối  chóp làm bằng  hai lớp sắt. Tiếp theo hàng ngàn tỉ đụng độ, các nhà vật lý học đã tìm thấy những dấu hiệu hạt tử  boson Higgs, bằng cách nghiên cứu  những  dấu hiệu  các cặp cao năng lượng photons ( quang tử)  trình bày trên hình bằng những  đường màu cam. Một boson Higgs  có thể  phân hóa  thành 2 photons hay nhiều phối hợp khác của những hạt tử  phụ nguyên tử - subatomic particles.

   

Nhà vật lý học Peter Higgs đoạt giải  Nobel Prize Vật lý 2013. 

     Hạt tử phụ nguyên tử  ở ngành vật lý học hạt tử

   

       Vật lý học  hạt tử là một  phân ngành vật lý nghiên cứu về bản chất của  các hạt tử, những thành phần  thường  được gọi là chất liệu – matter và phóng xạ - radiation. Theo hiểu biết hiện nay, hạt tử là những kích thích- hưng phấn các trường hạt lượng – quantum fields  và tương tác chiếu theo biến thái – động thái chúng.  Dù rằng “ từ ngữ” hạt tử  có thể dùng chỉ đến  nhiều vật thể (  tỉ như  một proton,  một hạt tử khí – gas particle  hay ngay  cả bụi bặm – dust  gia thất nữa ), từ ngữ  “hạt tử vật lý -particles physics” thường  chiếu theo  nghiên cứu  những vật thể căn bản – fundamental của vũ trụ, những lảnh vực cần  định nghĩa hầu giải thích  những hạt tử được quan sát và không thể nào định nghĩa bằng một phối hợp các lảnh vực- trường căn bản khác. Bộ lớp  hiện tại các lảnh vực căn bản  và động lực học chúng  được tóm tắt  ở lý thuyết tên gọi là Mô Hình Tiêu  Chuẩn - Standard Model , cho nên các hạt tử vật lý  phần lớn là nghiên cứu của  nội dung Mô Hình Tiêu Chuẩn và  những nới rộng  có thể làm được ở Mô Hình này. 

        Khảo cứu cận đại các hạt tử  vật lý tụ điểm vào các hạt tử phụ  nguyên tử - subatomic particles , gồm những thành phần  nguyên tử  tỉ như electron ( điện tử âm ), protons ( nguyên sinh tử ) và neutrons ( trung hòa tử ) ;( protons và  neutrons  là những hạt tử tổ hợp – composite  tên gọi là  baryon , các quarks tạo ra ) do các tiến trình kích họat  phóng xạ - radioactive  và phân tán tạo ra, chẳng hạn  như photons , neutrinos và muons , cũng như một rặng  rộng lớn  các hạt tử ngọai lai – kỳ lạ. Muốn cho đặc thù hơn, từ  hạt tử - particle  là  tên gọi sai - misnomer  từ ngành vật lý học cổ điển, vì động lực học của vật lý học hạt tử  được  cơ học hạt lượng cai quản.  Đúng như vậy, chúng phô trương một tính hai mặt, nhị nguyên- duality : làn sóng( vi ba ) và  hạt tử,  trình bày  cư xử  như hạt tử dưới một vài  điều kiện thí nghiệm và cư xử như  làn sóng  dưới vài điều kiện khác.  

        Có 2 lọai hạt tử phụ nguyên tử : hạt tử  nguyên tố- elementary particles và hạt tử tổ hợp – composite particles . Vật lý học hạt tử  và vật lý học hạt nhân – nuclear physics nghiên  cứu chúng  và cách nào chúng tương tác. Hạt tử nhỏ hơn một nguyên tử, dù rằng vài hạt tử phụ nguyên tử có khối lượng lớn hơn vài nguyên tử.  

         Hạt tử nguyên tố của Mô hình Tiêu Chuẩn gồm có :

-          “Sáu mùi vị” của quarks : trên -up, dưới-down, đáy- bottom , chóp- top , mạnh- strong và  kiều diễm- charm

-           6 lọai lepton : electron, electron neutrinos, muon, muon neutrino , tau  và tau neutrino

-          12  “ boson thước mẩu- gauge boson”  , mang theo lực- force carriers : photon của  điện từ- electromagnetism ,  3 W và Z   boson của lực yếu kém – weakforce  và 8 gluon  của lực mạnh  - strong force.

-           Boson Higgs

Những  hạt tử   phụ nguyên tử tổ hợp – composite,  tỉ như  proton  và  nhân nguyên tử - atom nuclei   dính chặt vào 2 hay nhiều hạt tử nguyên tố. Chẳng hạn  một proton  do 2 quarks trên  và một quark dưới tạo thành , trong khi  nhân nguyên tử  của helium – 4 là do 2 proton và  2 neutrons làm ra .  Hạt tử tổ hợp gồm tất cả mọi hadrons , có luôn cả baryons  ( là các protons và neutrons ) và mesons ( tỉ như pions và kaons ).  

 

A computer-generated picture of a proton-proton collision within the Large Hadron Collider. (AFP Photo/CERN)

       Câu chuyện đọat giải Nobel của Peter Higgs,  Anh Quốc  và Francois Englert của Bỉ  

         Họ gọi nó là Hạt tử Thiên Thần, vì nó  cất giữ chìa khóa, then chốt cho hiện diện con người  trên Trái Đất  và thật thế luôn cả  hiện diện của mọi  chất liệu  trong vũ trụ.  Các quốc gia tranh chấp  đã  gạt qua một bên các khác biệt và  xài hàng tỉ đô la  để cố tìm ra nó. Các nhà khoa học xây dựng những máy  siêu đụng độ  to lớn đủ khả năng sản xuất những nhiệt độ lạnh lẽo gần như những điểm  lạnh nhất trong vũ trụ,  trong cố công làm sáng tỏ  những bí mật của vũ trụ.  Phải mất gần nữa thế kỷ mới có được cái nhìn lướt qua điều này.  Nay trong một lúc  đeo vương miện, hai nhà vật lý họclý thuyết đã đọat giải thưởng Nobel vật lý học  vì  đã có tinh thần dám nghĩ – dám làm hình dung là điều như vậy  có thể hiện diện . Năm 1964,  người Bỉ Francois Englert và người Anh Peter Higgs  riêng rẽ đặt  ralý thuyết sự hiện diện  của  những hạt tử phụ nguyên tử,  sau đó được gọi tên là boson Higgs. Đúng  là then chốt khi giải thích  cách nào  các điều  thu nhận khối lượng và trở thành một hòn đá móng  cho cái gọi là Mô Hình Tiêu Chuẩn  của những hạt tử vật lý học .

         Ai  sẽ đọat giải,  đã được đoán trước rộng rải rồi. Đối với các vị đọat giải, tuồng như là một hồi tưởng, ngay sau một tuyên bố ngày 4 tháng 7 năm 2012  là đã tìm thấy  boson Higgs. Englert , nay 80 tuổi sau khi giải tuyên bố ở thủ đô Stockhom- Thụy Điển  nói rằng ông rất sung sướng và ông không còn  nói gì hơn được nữa đâu ? Higgs ẩn dật, nay 84 tuổi,  giới hạn  giải đáp  trên một tuyên ngôn 59  chữ, đăng tải trên  trang Web Viện đại học Edinburg – Tô Cách Lan, nơi ông là giáo sư danh dự môn vật lý học lý thuyết.  Ông viết:  “ tôi hy vọng  sự nhìn nhận  khoa học căn bản này sẽ giúp nâng cao hiểu biết về giá trị khảo cứu trời xanh.”

           Rất nhiều trong số hàng ngàn nhà khoa học tham dự sự tìm kiếm này, tỏ vẽ kích động hơn về giải thưỏng.  Họ tụ tập ở  phòng lộ thiên chứa nước  phong ten  dinh thự Thụy Sĩ, nơi  làm cư xá cho nhóm  săn bắt Higgs  của cơ quan CERN thuộc Tổ chức  Cho  Khảo cứu Hạt Nhân Âu Châu , để lắng nghe  tuyên bố từ Stockhom.  Khi họ nghe  tên Francois Englert, họ vổ tay khen ngợi,  la to,  theo lời  của nhà vật lý học Joseph  Incandala,  đại học UC Santa Barbara , nhà lảnh đạo  một nhóm CERN. Khi nghe gọi tên Peter Higgs,  họ cũng la to, vổ tay khen ngợi ầm ỉ như thế.  Ông nói ở một tuyên ngôn viện đại học là : “mọi người  đều muốn ca ngợi. Chúng tôi   cho nổ  các chai sâm banh và nâng cốc uống chúc mừng và ai nấy thảy đều chúc nhau .”

         Khi các nhà khoa học  đến được hạt tử né tránh này mùa hè năm ngóai ; nó trở thành một hiện tượng văn hóa pốp, nhại lại nhưng kẻ trông giống Stephen Colbert và biến nó thành một  búp bê  nhung lộng lẫy đáng yêu, theo một lối cười nhe răng chênh lệch.  Thật khó tưởng tượng nổi vào đầu thập niên 1960, khi các nhà khoa học đang tiến bước vào Mô Hình Tiêu Chuẩn.  Lý thuyết mô tả  các hạt tử phụ nguyên tử  là  căn bản cho các khối xây dựng nền móng vũ trụ, song song với cách nào  chúng tương tác.

       Nhưng các lý thuyết gia có một vấn đề: các phương trình của họ  chỉ  họat động được, nếu  các hạt tử không có khối lượng – mass .  Đây là một cái gì không thể có được ở một vũ trụ chất đầy những cái ngữ này tỉ như các ngôi sao, các hành tinh và dân gian .  Englert cùng  cọng sự viên Robert Brout và Higgs, mỗi người viết ra những bài bản riêng biệt đem tới một giải đáp có thể xảy ra.  Họ tưởng tượng  là vũ trụ có thể tràn ngập  một trường vô hình, khẩn thiết  làm chậm xuống các hạt tử, truyền đạt tới chúng với khối lượng và giúp cho thế giới  quanh chúng ta hiện diện được. Theo Robert Cousins, một nhà vật lý học viện đại học UCLA: “ý kiến độc nhất này làm cho mọi phương trình họat động được.”  

      Trường giả thiết  sau đó có tên  là trường- field  Higgs. Nếu nó hiện diện, nó cũng sẽ liên kết  đến một hạt tử, sau đó cũng  được biết là boson Higgs.  Qua nhiều năm,  rất nhiều thí nghiệm hổ trợ sự hiện diện của trường Higgs, hay cái gì gần giống như thế. Nhưng Englert bà Higgs sẽ không được  công nhận hòan tòan về cái nhìn sâu đậm của họ, mãi cho đến khi các nhà khoa học đủ khả năng dò ra boson Higgs.

       Các nhà vật lý học nghiên cứu các hạt tử phụ nguyên tử bằng cách tung những luồng đánh vỡ mạnh các hạt tử khác ở những tốc độ siêu cao và phân tích những mảnh  đạn vỡ,  thành quả các đụng độ. Các nhà khoa học đã có một ý nghĩ về lọai mảnh vỡ đạn nào họ cần nhìn thấy, để xác nhận là boson Higgs  có thật sự. Thế nhưng chỉ nhờ xây cất Máy Đụng Độ Hadron To Lớn  của CERN gần Genève, họ mới đủ sức lực cần  để nhìn thấy  boson Higgs, theo lời Vivek Sharma, nhà vật lý học  hạt tử viện đại học UC San Diego , người đã trải  nhiều năm đi qua lại Hoa Kỳ và Thụy Sĩ. Những máy đụng độ trước đó, kể luôn cả máy Tevatron, la bô Fermilab ở bang Illinois , không đủ nước cốt – juice . Và  các nhà  vật lý học thí nghiệm đã nghĩ rằng máy đụng độ  năng lượng mạnh hơn của CERN có thể  hòan tất công việc.

           Hai  thí nghiệm lớn  tên là CMS và ATLAS  thu thập các dữ liệu khẩn thiết  để xác nhận là boson Higgs hiện diện. Chúng cung cấp chứng cớ cho Viện Hàn Lâm khoa học vương quốc Thụy Điển cần có, hầu tưởng thưởng Englert và Higgs, theo lời Ủy Ban Nobel.  Sharma,  nhà dẫn đạo tìm kiếm CMS Higgs , so sánh các tiên đóan  với sách Tiến sĩ Seuss  ông thường đọc cho con gái trẻ tuổi của ông nghe. Ông nói : “   Y hệt Trứng Xanh – Green Eggs và giăm bông – ham.  Ai nhìn thấy một cái gì ô nhục như thế, cũng không muốn  rờ tới nó. Nhưng cuối  cùng, chúng tôi nếm thử Trứng Xanh và Giăm bông và  thấy chúng rất ngon lành .

         Ông thêm là các nhà khoa học  vẫn  tiếp tục tìm kiếm khó khăn này , xây dựng các máy đụng độ lớn mạnh hơn  mỗi ngày mỗi tăng và tạo ra những cộng tác rộng hơn, vì chưng chúng tôi muốn biết  là chúng tôi từ đâu đến.  Và vũ  trụ làm bằng gì đây ?  . Cousins  cũng làm việc với thí nghiệm CMS,  nói rằng “ thật đáng hài lòng  thấy Englert và Higgs  đọat giải, vào lúc  nhiều người hòai nghi đeo đuổi khoa học này.  Tôi rất sung sướng  là chúng tôi vẫn  có thể cố giữ như là một thí dụ nơi khoa học họat động và trả lời đích đáng, dù đã phải mất 50 năm trời”. Cousin nói thêm là rất nhiều người sẽ bối rối, nếu những nhà lý thuyết  không đạt giải năm nay, vì lý do đơn giản là họ già quá rồi. ( Brout, chết năm 2011, đã không chia sẽ được tiền thưởng là 1.2 triệu đô la, vì Ủy Ban Nobel không trao giải cho ai đã chết). Cousins cũng nói là ông nghe tin Higgs đã lẫn  tránh  vài ngày và chỉ xuất hiện lại vài ngày sau đó. Cousins nói đùa : Higgs hình dung tình trạng không thể chịu đựng nổi,  dù Higgs đọat hay không đọat giải .

        Tuyên bố của Ủy ban Nobel đã chậm đi mất một giờ, khiến  cho Englert sốt ruột là ông và Higgs sẽ qua đời mất tiêu. Englert, thuộc viện đại học tự do Bruxelles, nói thêm rằng  vẫn còn nhiều câu hỏi quan trọng cần giải đáp  ở ngành vật lý học hạt tử. Các nhà khoa học vẫn hy vọng thăm dò  chất liệu đen tối – dark matter và năng lượng đen tối nữa theo lời Englert.  Máy Đụng Độ  To Lớn Hadron  có thể giúp công cuộc thăm dò này. Hiện nay,  nó đang buông màn che, để cải thiện  thêm. Nhưng sẽ bắt đầu tung lại các luồng protons  đánh vỡ vỡ  vào năm 2015; lúc đó  máy sẽ có năng lượng còn cao hơn các năng lượng boson Higgs tiết lộ nữa !

         (Phần lớn chiếu theo  Eryn Brown, LA Times ngày 9 tháng 10 năm 2013)

           ( Irvine, Nam Ca Li - Hoa Kỳ, ngày 12 tháng 10 năm 2013 )