Hạt Higgs là dấu hiệu nhìn thấy được của trường Higgs, một trường lan khắp không gian mà các hạt cơ bản tương tác với nó thì có khối lượng. Nó được dự đoán năm một nghìn chín trăm sáu mươi tư, được tìm thấy năm hai nghìn không trăm mười hai tại máy Va chạm Hadron Lớn ở châu Âu, và năm sau đó hai trong số những người dự đoán nhận giải Nobel vật lý.
Chào bạn, đây là Nhà Học Thuật. Báo chí từng gọi nó bằng một biệt danh rất kêu, mà chính Peter Higgs không thích. Tập này mình kể lại câu chuyện thật: ý tưởng nói gì, ai nghĩ ra, và vì sao phải chờ gần nửa thế kỷ.
Vấn đề khối lượng
Đầu thập niên sáu mươi, các nhà vật lý đang xây lý thuyết cho lực tương tác yếu dựa trên đối xứng chuẩn, kiểu lý thuyết đã thành công rực rỡ với điện từ. Nhưng có một trở ngại: đối xứng ấy đòi các hạt mang lực phải không có khối lượng, như photon. Trong khi lực yếu tác dụng ở khoảng cách rất ngắn, nghĩa là hạt mang nó phải nặng.
Làm sao cho hạt có khối lượng mà không phá đối xứng của định luật. Lời giải là phá vỡ đối xứng tự phát: định luật vẫn đối xứng, nhưng trạng thái nền của vũ trụ thì không.
Hình ảnh hay dùng là chiếc bút chì dựng đứng: định luật không ưu tiên hướng nào, nhưng bút sẽ đổ theo một hướng cụ thể. Trạng thái sau khi đổ không còn đối xứng nữa, dù định luật vẫn vậy.
Vấn đề là các nhà lý thuyết khi ấy biết rằng phá vỡ đối xứng kiểu này thường sinh ra những hạt không khối lượng không mong muốn. Cần một cơ chế khéo hơn.
Sáu người, ba bài báo, một mùa hè
Năm một nghìn chín trăm sáu mươi tư, ba nhóm độc lập công bố cơ chế ấy trong vài tháng: François Englert và Robert Brout ở Bỉ; Peter Higgs ở Edinburgh; và Gerald Guralnik, Carl Hagen, Tom Kibble ở London.
Họ chỉ ra rằng khi đối xứng chuẩn bị phá vỡ bởi một trường lan khắp không gian, các hạt mang lực có thể nhận khối lượng, và những hạt không khối lượng không mong muốn biến mất. Higgs là người nêu rõ rằng cơ chế ấy dự đoán thêm một hạt mới, thứ về sau mang tên ông.
Vài năm sau, Steven Weinberg và Abdus Salam dùng cơ chế này để xây lý thuyết thống nhất điện từ và lực yếu. Lý thuyết ấy dự đoán các hạt W và Z, được tìm thấy đầu thập niên tám mươi.
Đến lúc đó, chỉ còn một mảnh chưa ai thấy: chính hạt Higgs.
Trường Higgs hoạt động thế nào?
Một hình ảnh nổi tiếng do nhà vật lý David Miller đưa ra để giải thích cho một bộ trưởng Anh đầu thập niên chín mươi: một căn phòng đầy người đang dự tiệc. Một người vô danh đi qua dễ dàng. Một người nổi tiếng bước vào, đám đông xúm lại, khiến người ấy di chuyển chậm chạp như thể nặng hơn.
Trường Higgs giống đám đông ấy. Hạt nào tương tác mạnh với trường thì như người nổi tiếng, có khối lượng lớn. Photon không tương tác thì đi qua tự do, không có khối lượng.
Còn hạt Higgs thì sao. Trong ví dụ, nếu có một tin đồn lan qua căn phòng, đám đông dồn lại thành từng cụm. Cụm người ấy chính là hạt Higgs: một gợn sóng của bản thân trường.
Cần nói rõ một điều thường bị hiểu sai: trường Higgs cho khối lượng các hạt cơ bản như electron và quark. Nhưng phần lớn khối lượng của proton, và do đó của cơ thể bạn, đến từ năng lượng của lực mạnh giữ các quark lại với nhau, không trực tiếp từ Higgs.
Gần nửa thế kỷ săn tìm
Lý thuyết không dự đoán khối lượng của hạt Higgs, nên các nhà vật lý phải dò ở mọi mức năng lượng. Nhiều máy gia tốc qua nhiều thập niên đã loại trừ dần những vùng có thể.
Máy Va chạm Hadron Lớn, đặt trong đường hầm vòng tròn dài khoảng hai mươi bảy cây số dưới biên giới Thuỵ Sĩ và Pháp, được xây chủ yếu để trả lời câu hỏi này. Hai máy dò khổng lồ, mỗi cái do hàng nghìn nhà khoa học vận hành, làm việc độc lập để kiểm tra chéo.
Ngày bốn tháng bảy năm hai nghìn không trăm mười hai, hai nhóm công bố cùng lúc: họ đã thấy một hạt mới, nặng hơn proton hơn một trăm lần, với mức tin cậy thống kê đạt chuẩn khắt khe của vật lý hạt. Trong hội trường, Peter Higgs, khi ấy đã ngoài tám mươi, lau nước mắt.
Những đo đạc sau đó cho thấy hạt mới có các tính chất khớp với hạt Higgs của mô hình chuẩn.
Giải Nobel và những người không được nhắc tên
Năm hai nghìn không trăm mười ba, giải Nobel vật lý được trao cho François Englert và Peter Higgs. Robert Brout đã qua đời năm hai nghìn không trăm mười một. Giải Nobel không trao cho người đã mất, và mỗi giải tối đa ba người.
Vì quy định ấy, Guralnik, Hagen và Kibble không được nhận, dù công trình của họ ra đời cùng năm. Nhiều nhà vật lý cho rằng đây là một ví dụ về chỗ khung giải thưởng không phản ánh hết cách khoa học thật sự diễn ra.
Hàng nghìn nhà khoa học, kỹ sư đã xây và vận hành máy gia tốc, phân tích dữ liệu, cũng không thể có tên trên giải. Phát hiện thực nghiệm lớn ngày nay là thành quả của những tập thể khổng lồ.
Peter Higgs qua đời năm hai nghìn không trăm hai mươi tư. Ông từng nói mình không thích biệt danh hạt của Chúa. Có lẽ cách tôn vinh đúng nhất là nhớ rằng một ý tưởng trên mấy trang giấy đã cần nửa thế kỷ và cả một thế hệ nhà khoa học để được chứng minh.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao hạt Higgs bị gọi là hạt của Chúa?
Biệt danh đến từ tên một cuốn sách phổ biến khoa học của nhà vật lý Leon Lederman. Nhiều nhà vật lý, kể cả Higgs, không thích cách gọi này vì nó gây hiểu lầm.
Hạt Higgs có ứng dụng thực tế không?
Hiện chưa có ứng dụng trực tiếp. Giá trị của nó nằm ở hiểu biết nền tảng về vũ trụ. Tuy vậy, công nghệ phát triển cho máy gia tốc và máy dò đã có nhiều ứng dụng trong y học và công nghệ thông tin.
Phá vỡ đối xứng tự phát là gì?
Đó là khi định luật vật lý có một đối xứng nhưng trạng thái thực tế của hệ thì không. Ví dụ là nam châm: định luật không ưu tiên hướng nào, nhưng khi nguội đi, các nguyên tử chọn chung một hướng.
Còn câu hỏi nào về hạt Higgs chưa trả lời?
Có. Các nhà vật lý muốn đo chính xác cách hạt Higgs tương tác với chính nó, điều liên quan tới độ bền của vũ trụ, và tìm hiểu vì sao khối lượng của nó lại có giá trị như đo được.
Vì sao giải Nobel chỉ trao tối đa ba người?
Đây là quy định lâu đời của giải Nobel khoa học. Nhiều nhà khoa học cho rằng quy định này ngày càng không phù hợp khi khoa học được làm bởi những nhóm lớn, nhưng quy định vẫn chưa thay đổi.
