Kiểm trathựctại ở LHC Các nhà vật lí hạt khởi đầu năm mới 2011 với một liều nhẹ thuốc kinh nghiệm, khi LHC tiến gần đến các mô hình về các chiều dư và siêu đối xứng. Nhân viênCERN đanglàm việctrong hangATLAS trong đợt nghỉ dưỡngmùa đôngnày trướckhi các va chạm trở lại hoạt độngvào đầutháng3. (Ảnh:CERN) Nếu như tháng giêng xanhtươi đang làm cho bạn phấnchấn tinhthần,thì bạn hãy dành chút tâm trí nhớ lại mùa hè năm 2008khisự tranh luận về những khámphá có thể có tại Máy Va chạm HadronLớn(LHC) củaCERN,khi đó vừa mới khánhthành, đi vào giai đoạntăng tốc. Các phương tiện truyền thôngtrên thế giới đổ xô vào cơn cuồng nhiệt về cái mà LHCcó thể xào nấu nên: nhữngchiềukhông gian mới,các “siêu hạt”, vật chất tối và – ai cóthể quên chứ? – các lỗ đen nuốt chửng hành tinh. Hainăm rưỡi sau đó – thậtsự chẳng cógì bất ngờ cả - hành tinh trái đất vẫn còntrơ trơ. Vàbức tranh đã biết của chúngta về sự hoạt động cơ bản của tự nhiênvẫn y như thế. Vẫn còn là nhữngngàyban maithôi tạiLHC, nhưng nămđầu tiên của cỗ máy chu vi 27km cho các protonlao vào nhau ở những mứcnăng lượng kỉ lục đangbắt đầu thuần hóa sức tưởngtượng của các nhà lí thuyết. Các nhà nghiên cứu tại thí nghiệmCompactMuon Solenoid (CMS),chẳng hạn,đã báo cáo rằng, ở nhữngnăng lượng đã khảo sát tínhcho đếnnay, cácquark không biểu hiệncấu trúccon nào (arXiv:1010.4439),các hạt kì lạ như coloron và diquark E6 không trình hiện (arXiv:1010.0203)– và leptoquark(arXiv:1012.4031)haycác bosonchuẩnnặng mới(arXiv:1012.5945) cũng thế. Mặc dù nhữngthực thể này khôngthể bị bác bỏ hoàn toàn, nhưng dữ liệu LHC cho phép ràng buộc chúng chặtchẽ hơn– trên nguyêntắc làcho phépcác nhànghiên cứu thiếtlập các giới hạn chặt chẽ lên khối lượng của các hạt. Các nhà khoa học CMScũng không tìm thấy bằngchứng cho cáclỗ đen vimô trong máy dò hạt 12 500tấncủa họ (arXiv:1012.3375). Kếtquả này, được báo cáo ngay trước kìGiáng sinh, sẽ khônggây sốc cho bấtkì ai nghĩ rằngnhững lỗ đen như vậysẽ pháhủyhành tinhcủachúngta.(Đối vớihọ,đó chỉ là vấnđề thờigian ) Nhưng cũngchẳng cógì bất ngờ đối với nhiều nhà vậtlí, vì họ biết rằng các lỗ đen vi môchỉ có thể xuất hiện tại LHC nếu như khônggian có nhiều hơn ba chiều. Vậy thì sự thiếu vắng các lỗ đen của CMS cóý nghĩa gì đối với bức tranhkì dị như thế của không-thời gian? Giờ thì chúng ta đã có thể bắt đầuloại trừ chúng haychưa? “Cơ sở khoa học hấp dẫn của sự sản sinhvà bay hơilỗ đen vẫn đứng vững”, khẳng định củaSteveGiddingsthuộc trường Đại học California, Santa Barbara, người cách đây một thập kỉ là đồng tác giả đề xuất rằngLHC cóthể tạo ra các lỗ đen. “Cáckết quả CMSbắtđầubác bỏ nhữngcấu hìnhcực độ nhấtcủacác chiều dư, mặc dùđúng là những cấu hình như vậy đượcnhiều người tin là không thể có. Vẫn có khả năng là các lỗ đen sẽ được tạo ratại LHC, nhưng đó chẳng phải là một tiên đoán, trừ khi bạnbiết rõcấu hình củacác chiều dư!” Lấp đi chỗ trũng Mô hình củacác chiều dư, cơ sở của tiên đoán lỗ đen, được đề xuất đầu tiên vào năm 1998, bởi NimaArkani-Hamed thuộcViện Nghiên cứu Cao cấpở Princeton và những người khác, để xử lí cái gọilà “bài toán thứ bậc”: vìsao lực hấp dẫn yếu hơn30 bậc độ lớn so với cáclực chi phối thế giới lượngtử. Họ thừa nhận rằng mọi thứ sinh ra hấp dẫn bị giam cầm trong một brane3D tồntại trongmột khônggian nhiều chiềuhơn, từ đó cườngđộ thật sự của lực hấp dẫn ròrỉ ra, làm giảm thang Planck (tại chỗ lực hấp dẫnvà các lực kháccó cườngđộ bằng nhau, được xemlà trường hợp ứngvới những thời khắc đầu tiên của vũ trụ) từ giá trị 10 16 TeV bìnhthường củanó xuống chỉ còn vài ba TeV– đúng mức năng lượng mà LHC đangthămdò. Trongmột vũ trụ nhiều chiều như thế, Giddingsvà nhữngngười khác tranh luận, các lỗ đen vi mô cóthể xuất hiện ở tốc độ một lỗ đen mỗi giây tại LHC khicác hạt đivào cườngđộ thật sự của lực hấp dẫn ở cự li ngắn – trước khiphân hủy hầu như ngay tứcthì thànhmột lóe sáng của các hạtbình thường. Tuynhiên, Arkani- Hamedcho biết ông chưa baogiờ nghĩ rằng tín hiệu lỗ đen đó là đáng tin cậy. “Cho dù có tồn tại cácchiềudư đi nữa, thì cáclỗ đen sẽ là cái cuối cùng bạn khámphá ra vì bạn sẽ thấy nhữnghiệu ứng khác, lớn hơn,ở những mức năng lượngthấp trước, thí dụ như sự bức xạ hấp dẫn vàocác chiều dư”, ông nói. “Chodù thangPlanck giảm đi baonhiêu, bạnvẫn phải tiến đến các mức năng lượng cao gấpvài lần để bắt đầu tạo ra cái bạn sẽ ghi nhận làmột lỗ đen”. Nhưng Georgi Dvalithuộc trường Đại họcLudwig-Maximiliansở Munich, Đức,người cùng làm việc với Arkani-Hamedvề các mô hình chiềudư lớn,khẳng định rằng cáclỗ đen vi mô thật sự tồn tại. “Nó xuất hiện từ sự tồn tại của các lỗ đen lớn”, ôngnói. “Một lỗ đen vi mô chính là cáixảy ra đối với mộtlỗ đen lớn tại giai đoạn cuối cùng củasự phát triển, một khi nó đã bay hơi hết quasự phát bức xạ Hawking. Chúngta biết điều này xảyra – chúng ta chỉ không biết là ở thang bậc chiềudài [tứcnăng lượng]nào mà thôi”. Theo Dvali, vấnđề là kiến thức lí thuyết hiện naycủa chúngta về cáclỗ đen vi môkhông đủ để dự đoánchính xáccác tínhchất của chúng. Để tìmkiếm những đối tượngnày (và nhữngthực thể kì lạ khác) tạiLHC, các nhà nghiên cứu phải lập mô hình các sự kiện nền có thể na ná như chúng, chủ yếu là các tia vật chất dồi dào hình thành bởi các quark vàgluon – mộtquá trìnhtự thân nó không được hiểu chínhxác trênphương diện lí thuyết.Cho đến nay, đội CMS không tìmthấy tín hiệu nào trên phông nền này, chophép cácnhà nghiên cứuloại trừ các lỗ đenvới khối lượng tối thiểu 3,5–4,5TeV/c 2 . Một cú đánh vào lí thuyết dây? Nhưng sự thiếu vắng củacáclỗ đen mà CMS nhìnthấy có phải là một đòn đánh vào lí thuyết dâyhay không?Xét cho cùng thì khuônkhổ lí thuyếtrộng lớn này cũngviện đến các chiềudư để kết nốilực hấpdẫn với ba lực khác, mô tả các hạtsơ cấp dưới dạngcác mặt của những sợi dây cơ bản đangdao động trong khônggian 6Dhoặc 7D.Tuy nhiên, Arkani-Hamedbác bỏ quanđiểmcho rằng như vậy là líthuyếtdây đã bị “mũi máu”; ôngxem sự khẳng địnhnhư vậy là “lố bịch”. Lisa Randallở trườngĐại học Harvard,người hồi năm 1999đã cùng phát triển mộtphương pháp chiều dư (LED) tương tự gọi là“hình học uốn cong” để xử lí bài toán thứ bậc, giải thích rằng các mô hình chiều dư lớn của bà lẫn của Arkani- Hamedsử dụngcác thành phần líthuyếtdây và cóthể còn suy luậnra từ lí thuyết dây, nhưng môhình này chẳnghàm ý đến môhình kia.“Các mô hình củachúng tôi thật sự là những lí thuyết hiệu quả, được xácđịnh rõ ràng ở những mức năng lượng thấp”, bà nói.“Những mô hình này khôngnhất thiết phát sinh trong li thuyết dây, vàlí thuyết dây không nhấtthiết ngụ ý sự hiện thực hóa năng lượng thấp như thế này”. Các va chạmproton-proton7 TeV đượcmáy dò hạt Compact MuonSolenoid củaCERN ghi lại hiện đang đặtra các giới hạn chặt chẽ lên khối lượng củanhững hạt mới cóthể có. (Ảnh: CERN) Thật ra, lí thuyết dâyminh họacụ thể việc có thể kiểm tracơ sở toánhọc liên hệ lực hấp dẫn với thế giới lượng tử khó khănnhư thế nào. Lí thuyết dâymô tả một con số quá mức của nhữngsự kết hợpcó thể có của cácchiềudư, mỗi sự kết hợp tươngứng với mộtvũ trụ khả dĩ khác nhau,nhiều trong số đó có chứa các đặc điểm củamô hìnhLED lẫn mô hình hình họcuốncong. “Theoloạikết hợp “tương đối tínhhơn” và rộng rãi hơn nhiều này, có vẻ như có thể có nhữngkết hợp đặc biệt trongđó lực hấp dẫn có cường độ mạnh tại LHC”, Giddings nói. “Nhưng cóthể có nhiều kếthợp khôngthể”. Trướckhi các nhà vậtlí lí thuyết nổi danhvới việcngắt kết nốikhỏi địa hạt đo lường,Arkani-Hamedcho biết ngaytrước khi thí nghiệm manglại mộtphán quyết tốihậu, thì các điều kiện nhất quán – cáckết quả toán học phải nhất quán với các thí nghiệm hiện có – khóthỏa mãn đếnmức vôsố nhữngý tưởng mới hầu như chết ngay lập tức. Các mô hình chiều dư lớn, chúnglà nỗ lực mới đầu tiên nhằmbẻ khóa bài toán thứ bậc trong gần20 nămqua, là hợplí một phần vì các thí nghiệmchỉ mới kiểm tra tính bất khả xâm phạm của không gian 3Dở thang bậc tương đối lớn,chừng 0,1mm. Gọi là siêu thế giới Tuy nhiên, mộtsự tìm kiếm hăm hở tại LHC sẽ củng cố cho líthuyếtdây và giảiđược bài toán thứ bậc ngaytức thì: đó là siêu đốixứng (SUSY),cái ấnđịnh những chiều lượng tử mới cho không-thời gianlàmphát sinh toàn bộ phổ của những đối tác nặng cho các hạt Mô hìnhChuẩn đã biết, gọi làcác “siêu hạt”. “Siêu đối xứnglà ýtưởng sâu sắc hơn nhiều so với các chiều dư, và còn có những gợiý mạnhbất ngờ rằng SUSY nănglượng thấp là đúng”,Arkani-Hamednói.“Cho nên nếu phải đánhcuộc, tôi sẽ cuộc(rất nhiều) rằngmột số biến thể của SUSY sẽ trình hiện tại LHC”. Các tìm kiếmSUSY tạicác máy vachạm CERNtrước đây và tại máy va chạm Tevatronsắp ngừng hoạt độngtại Fermilabở Mĩ đã chẳng tìmthấy gì,cho phép các nhà vật lí đặt ra các giới hạn dưới lên khối lượng các siêu hạt. Các va chạm năng lượngcao của LHCcho phép cỗ máy tạo ra các siêu hạt nặnghơn, nếu như chúng tồn tại. Nhưng hồiđầu tháng này, CMS báo cáo rằng chođến naythí nghiệm này chẳng tìm thấy cái gì mới, loại trừ các hạt siêu đốixứng với khối lượng dưới khoảng 0,5TeV/c 2 (arXiv:1101.1628). Và hồitháng 11, thí nghiệm trên đã báo cáo rằng không có dấu hiệu này củacác gluonsiêuđối xứng(glunio) cóthời gian sống lâu, nhữnghạtsẽ phát sinhnếu một hướngphát triển của SUSY gọilà siêu đối xứngphân tách là chính xác (arXiv:1011.5861). Ngườita trông đợi thí nghiệm chị em của CMS, ATLAS, sẽ báo cáocác tìm kiếmriêng của nó về những hạt mới kì lạ như vậy trong vòngvài tuần tới,mặc dù nó đã bác bỏ cấu trúccon quark(arXiv:1009.5069) và các hạt lạ nhẹ hơn 1,26TeV/c 2 (arXiv:1008.2461). Và với LHCsắp khởi động lại vào tháng tới saukì nghỉ dưỡng mùađông của nó vàtích góp dữ liệu ở tốc độ còn caohơn nữa – có lẽ cũng ở một mức nănglượng caohơn –hàng thập kỉ nghiên cứulí thuyết vật lí ngoài Môhình Chuẩn (tất nhiên, cùng với cơ chế manglạikhối lượng chocác hạt sơ cấp) sẽ sớm hiện hữu rõràng. “Biếtrằng LHCchỉ mới bắt đầu đào sâu vào lãnhthổ thích hợp chobài toán thứ bậc, điều thậtsự bất ngờ là cỗ máy trên không tìmra bằng chứng nàocho bất cứ cái gì mớimẻ trongnhững phân tích rất sơ bộ của dữ liệu thu thậpở nửa mức năng lượngtối hậu của nó”,Arkani-Hamednói. “Nhưngcho dù chẳng tìm thấy chiềudư nào hết, nhưng đối với tôi thế đã là hoàn hảo –xét cho cùng thì chúng tôi đang làm việc nghiêm túc!” . Kiểm trathựctại ở LHC Các nhà vật lí hạt khởi đầu năm mới 2011 với một liều nhẹ thuốc kinh nghiệm, khi LHC tiến gần đến các mô hình về các chiều dư. rằngmột số biến thể của SUSY sẽ trình hiện tại LHC . Các tìm kiếmSUSY tạicác máy vachạm CERNtrước đây và tại máy va chạm Tevatronsắp ngừng hoạt độngtại Fermilabở Mĩ đã chẳng tìmthấy gì,cho phép các. mức năng lượng mà LHC đangthămdò. Trongmột vũ trụ nhiều chiều như thế, Giddingsvà nhữngngười khác tranh luận, các lỗ đen vi mô cóthể xuất hiện ở tốc độ một lỗ đen mỗi giây tại LHC khicác hạt đivào