VẤN ĐỀ HẠT HIGGS – TÌM HIỂU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM

Giải Nobel vật lý 2013 được công bố trao cho hai nhà vật lý Peter Higgs người Anh và Francois Englert người Bỉ với công trình nghiên cứu lý thuyết Higgs boson vào đầu tháng 102013 vừa qua, giúp giải thích vì sao các vật chất có khối lượng. Vì thế việc hiểu biết về boson Higgs là một việc hết sức thú vị cho những người yêu môn vật lý nói chung và những sinh viên chuyên ngành vật lý nói riêng. Vì thế tôi viết vấn đề này xem như một đề tài nghiên cứu cấp trường CĐSP Tây Ninh.

1 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN SỞ GIÁO DỤC TÂY NINH TRƢỜNG CAO ĐẲNG SƢ PHẠM VẤN ĐỀ HẠT HIGGS – TÌM HIỂU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM Thực hiện: Ths. Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN Tây Ninh, ngày 22 tháng 4 năm 2014 2 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN SỞ GIÁO DỤC TÂY NINH TRƢỜNG CAO ĐẲNG SƢ PHẠM VẤN ĐỀ HẠT HIGGS – TÌM HIỂU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM Thực hiện: Ths. Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN Tây Ninh, ngày 22 tháng 4 năm 2014 3 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN A – MỞ ĐẦU I. Lý do chọn viết bài Giải Nobel vật lý 2013 được công bố trao cho hai nhà vật lý Peter Higgs người Anh và Francois Englert người Bỉ với công trình nghiên cứu lý thuyết Higgs boson vào đầu tháng 10/2013 vừa qua, giúp giải thích vì sao các vật chất có khối lượng. Vì thế việc hiểu biết về boson Higgs là một việc hết sức thú vị cho những người yêu môn vật lý nói chung và những sinh viên chuyên ngành vật lý nói riêng. Vì thế tôi viết vấn đề này xem như một đề tài nghiên cứu cấp trường CĐSP Tây Ninh. II. Mục tiêu Có thể nói vấn đề hạt Higgs là vấn đề rất thú vị và rất phức tạp của vật lý hiện đại. Tôi dùng ngôn ngữ thông thường để viết về vấn đề này, nhằm cho những người không chuyên về vật lý cũng có thể thấy được vẻ đẹp của vật lý hiện đại. Đề tài nhằm mục đích phổ biến kiến thức mang tính thời sự và góp phần làm tăng mức độ yêu thích môn vật lý của sinh viên lớp Lý trường CĐSP TN khi đọc đề tài. III. Đối tƣợng Tìm hiểu, trình bày những vấn đề lý thuyết liên quan đến hạt Higgs và quá trình thực nghiệm tìm kiếm từ ý tưởng đến lúc tìm ra hạt Higgs IV. Nhiệm vụ Trình bày các vấn đề liên quan đến hạt Higgs. Những nghiên cứu từ lúc bắt đầu có ý tưởng về hạt Higgs cho tới có bằng chứng thực nghiệm về sự hiện diện của hạt Higgs vào năm 2012. V. Phƣơng pháp Đọc tài liệu, và khai triển toán. 4 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN B – NỘI DUNG CHƢƠNG 1 - NHỮNG LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ĐẾN HẠT HIGGS I. Lịch sử về hạt Higgs Vào năm 1964, Peter Higgs đã gửi công trình về mô tả một thuật toán mang lại khối lượng cho hạt đến tạp chí chuyên ngành "Physical Review Letters". Đầu tiên, các nhà thẩm định của tờ báo không tin vào ý tưởng này, nên bài viết bị từ chối. Các nhà thẩm định cho rằng nội dung bài báo không liên quan gì đên vật lý. Bài viết này bao gồm 4 phương trình và dài một trang rưỡi. Hình 1. Ông Peter Higgs trong lần viếng thăm CERN (tháng 4 năm 2008) Theo bình luật của các nhà vật lý học thì Peter Higgs là một nhà vật lý học bình thường và ngay bản thân ông Higgs cũng khẳng định điều đó. Ông xem việc “phát hiện” ra cơ chế Higgs là một sự may mắn. Nhưng vấn đề đó là một sự khiêm tốn vốn có của những nhà khoa học lớn, ngoài công trình đột phá về cơ chế Higgs trước đó ông còn có một số công trình đột phá khác nữa. Những công trình của ông không giống những công trình “làm những gì người khác đã từng làm”, công trình của ông mang tính đột phá trong khoa học. Ngành vật lý hạt đã xây dựng được một mô hình lý thuyết chính thống (SM), tạo nên khuôn khổ về sự hiểu biết các hạt và các lực cơ bản trong tự nhiên. Một trong những thành phần cơ bản của mô hình này là trường lượng tử giả thiết phổ biến, chịu trách nhiệm cung cấp khối lượng cho các hạt. Trường này hiện tại được gọi là trường Higgs. Nó là hệ quả của lưỡng tính sóng - hạt trong cơ học lượng tử, và tất cả các trường lượng tử đều có một hạt cơ bản đi kèm. Hạt đi kèm với trường Higgs được gọi là hạt Higgs, hay boson Higgs, theo tên của nhà vật lý Peter Higgs. 5 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN II. Lƣỡng tính sóng hạt Vật chất có hai dạng chuyển động, dạng chuyển động hạt (gọi tắt là hạt) và dạng chuyển động sóng (gọi tắt là sóng). Dạng chuyển động hạt đặc trưng bởi sự định xứ của vật chất trong không gian và sự tồn tại quỹ đạo. Dạng chuyển động sóng đặc trưng bởi sự không định xứ trong không gian, sóng là quá trình truyền nhiễu loạn trong không gian với vận tốc không đổi và mang theo năng lượng. Chuyển động của sóng là chuyển động của trạng thái vật chất chứ không phải là truyền vật chất, là sự truyền pha từ phần tử vật chất này đến phần tử vật chất kia, chuyển động sóng tuần hoàn trong không gian và thời gian Thực nghiệm và lý thuyết khẳng định lưỡng tính sóng-hạt là một thuộc tính cơ bản của vật chất, thể hiện ở mọi đối tượng vật chất khi chuyển động trong không gian. Có nghĩa vật chất khi chuyển động trong không gian có thể được xem như một sóng đang lan truyền với bước sóng cụ thể (tính được), và cũng có thể xem như là một hạt đang chuyển động với động lượng, động năng xác định. Ví dụ xét vật chất ánh sáng, nó vừa thể hiện tính sóng, vừa thể hiện tính hạt như sau: + Hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, và phân cực ánh sáng là những hiện tượng thể hiện bản chất sóng của ánh sáng mà thực nghiệm quan sát được. + Hiện tượng bức xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng compton là những hiện tượng không thể giải thích dựa trên tính chất sóng của ánh sáng. Để giải thích những hiện tượng này phải xem ánh sáng như là những hạt gọi là lượng tử ánh sáng. Planck và Einstein đã đưa ra thuyết lượng tử ánh sáng để giải thích những hiện tượng trên. Vậy để giải thích thỏa đáng các hiện tượng tự nhiên của ánh sáng thì phải xem ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt. Suy rộng ra vật chất đều có tính lưỡng tính sóng – hạt. Đối với một bức xạ điện từ đơn sắc tần số  , bước sóng λ lượng tử năng lượng tương ứng bằng: . c h h p c      Trong đó: h p c   là động lượng của hạt; c = 3.10 8 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không. Vậy ngay trong biểu thức trên vừa có bước sóng (  ) đặt trưng cho tính sóng, vừa có động lượng (p) đặt trưng cho tính hạt của ánh sáng III. Lý thuyết trƣờng lƣợng tử Lý thuyết trường lượng tử được xây dựng trên cơ sở của sự kết hợp lý thuyết tương đối và cơ học lượng tử, qua lý thuyết này ta có hiểu biết sâu sắc hơn về không gian, thời gian, về các dạng vật chất và chuyển động của chúng. Lý thuyết tương đối của Einstein được đặc trưng bởi vận tốc ánh sáng. Lý thuyết lượng tử được đặc trung bởi hằng số Planck  (còn được gọi là lượng tử tác dụng). Hằng số này biểu thị các giá trị gián đoạn của các đại lượng vật lý Cơ học lượng tử xem những đại lượng vật lý luôn là những phần bị gián đoạn (ví dụ như ánh sáng bị chia nhỏ thành các lượng tử năng lương lượng gọi là photon ánh sáng mang một gói năng lượng), trên cơ sở của những phần gián đoạn này cơ học lượng tử đã giải thích được hầu hết các hiện tượng vật lý ở cấp độ vi mô (nguyên tử, phân tử). Nội dung quan 6 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN trọng của cơ học lương tử là nói về xác suất tìm thấy hạt, hay xác xuất của một sự kiện vật lý có thể và không thể xảy ra. Cơ học lượng tử không cho biết một cách chính xác các sự kiện, hay các đại lượng vật lý có xảy ra hay không, mà nó chỉ cung cấp cho ta một xác suất về vấn đề đó (đây là bản chất vốn có của thế giới vi mô). Ví dụ: ta có một cái ly đựng cà phê đá, bên trong chứa những viên đá nhỏ. Theo suy nghĩ của vật lý cổ điển thì nếu ly đá ở trạng thái cân bằng thì các viên đá không bao giờ “chui” qua thành ly để ra ngoài được, có nghĩa xác suất của sự kiện đó bằng không. Nhưng theo quan điểm của cơ học lượng tử thì sự kiện đó có thể xảy ra với một xác suất khác không nhưng rất nhỏ. Có nghĩa là nếu giả sử ta có đủ thời gian để chờ đợi viên đá “chui” ra khỏi thành ly thì một ngày nào đó ta sẽ nhìn thấy sự kiện đó, đây gọi là nguyên lý bất định Heisenberg Theo vật lý cổ điển thì quá trình vật lý hoàn toàn độc lập với các quan sát khác nhau, có nghĩa là tác dụng của những quan sát chỉ là nhiễu loạn không đáng kể đến trạng thái của hệ. Vì thế theo vật lý cổ điển ta có thể mô tả một cách tuyệt đối và tường tận trạng thái chuyển động vật lý của hệ, và có thể lắp ghép các phép đo rời rạc lại thành một bức tranh thống nhất mô tả trọn vẹn một sự kiện vật lý. Khác với vật lý cổ điển, trong vật lý lượng tử do đối tượng là các hạt vi mô nên các quá trình quan sát nó đều gây nhiễu loạn đáng kể nên ta không thể xác định được trạng thái của hệ một cách chính xác mà chỉ có thể là xác suất. Lý thuyết tương đối của Albert Einstein bao gồm 2 lý thuyết vật lý: thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng. Khi các vật chuyển động bằng hoặc xấp xỉ vật tốc của ánh sáng thì người ta thấy rằng các định luật cơ học của Isaac Newton không thể áp dụng được nữa, lúc bấy giờ có những hiệu ứng mới lạ như là: thời gian trôi đi trên hai hệ quy chiếu chuyển động với vận tốc khác nhau thì khác nhau, khi một vật chuyên động càng nhanh thì kích thước của bản thân nó bị co lại, có nghĩa nó bị ngắn lại theo phương nó đang chuyển động. Lúc bấy giờ Albert Einstein đã phát triển lý thuyết mới để lý giải những hiện tượng trên, lý thuyết này gọi là lý thuyết tương đối. Trong lý thuyết tương đối đã bao hàm luôn những lý thuyết cổ điển của Niuton, giả sử vật chuyển động với vận tốc rất nhỏ so với ánh sáng thì một cách xấp xỉ với sai số nhỏ thì từ thuyết tương đối ta có thể thu được các định luật Niuton thường thấy. Để nghiên cứu các hạt cơ bản (các loại hạt nhỏ cấu tạo nên vật chất) và sự tương tác của chúng, lý thuyết trường lượng tử cho rằng mỗi loại hạt tương ứng với một loại trường, trường liên kết các hạt thành một hệ thống nhất và truyền tương tác từ những hạt này đến những hại khác với vận tốc hữu hạn. Trong lý thuyết trường lượng tử, trường như vậy được mô tả bằng hàm sóng toán tử và các tương tác được hiểu như quá trình sinh hạt này (toán tử sinh hạt) và hủy hạt kia (toán tử hủy hạt) và toán tử số hạt bằng tích các toán từ sinh và toán tử hủy. Như vậy lý thuyết trường lượng tử có thể mô tả được những hệ có số hạt thay đổi, mô tả được sự biến hóa của các quá trình sinh hạt và hủy hạt, đồng thời diễn tả được cả tính "hạt" của sóng và tính "sóng" của hạt. Từ quan niệm đó dẫn đến một khái niệm mới, khái niệm chân không trong lý thuyết trường lượng tử. Lý thuyết đầu tiên hình thành lý thuyết trường lượng tử là điện động lực học lượng tử. Đó là lý thuyết hiện đại của trường điện từ và sự tương tác của nó với các hạt tích điện. Điện động lực học lượng tử được xây dựng trên cơ sở của các định luật của cơ học 7 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN lượng tử và lý thuyết tương đối, trong đó các photon được coi như những lượng tử của trường điện từ, các electron, các pôditron - như là các lượng tử của trường electron, pôditron; còn sự tương tác của các trường bức xạ với vật chất được coi như quá trình hấp thụ các photon này và bức xạ các photon khác. Từ lâu vật lý rất quan tâm đến vấn đề thế nào là "chất" và "trường" và mối quan hệ giữa chúng. Lý thuyết cấu tạo vật chất cho rằng chất và trường là hai dạng tồn tại cơ bản của vật chất. Chúng ta biết rằng vật chất luôn luôn vận động và đối với mỗi một dạng vật chất đó người ta đã xây dựng cho nó một lý thuyết đặc trưng về chuyển động. Trong lý thuyết cổ điển người ta cho rằng : - Chất là nguyên liệu để cấu thành các vật chất, chất có khối lượng, choán một thể tích nào đó, có thể nhìn thấy và cân đo được. Thí dụ về chất như các hạt electron và prôton, các nguyên tử, các phân tử và các vật thể khác được tạo nên từ các hạt trên. - Trường là một dạng đặc biệt của vật chất, thông qua trường mà tương tác (hút, đẩy) giữa các vật cách xa nhau được thực hiện. Trường không có khối lượng nhưng có mang năng lượng và trường tồn tại liên tục ở khắp mọi nơi. Tác dụng của trường trong chừng mực nào đó ta cũng có thể nhận biết được - như trường bức xạ nhiệt tác dụng vào da ; một số trường mà ta đã biết đó là trường điện từ, trường hấp dẫn, trường bức xạ nhiệt, Chất và trường là hai khái niệm biệt lập nhau, vì thế người ta gắn cho mỗi dạng đó của vật chất quy luật chuyển động riêng biệt : - Đối với chất : Quy luật chuyển động hạt mà đặc điểm của nó là sự định xứ và tồn tại quỹ đạo chuyển động. - Đối với trường : Quy luật chuyển động sống mà đặc điểm của nó là không định xứ và không tồn tại quỹ đạo chuyển động - mà là chuyển động của cả một môi trường nào đó. Như vậy theo vật lý cổ điển - vật lý của thế giới vĩ mô thì hai dạng chuyển động hạt và chuyển động sóng là hoàn toàn khác hẳn nhau, cũng như chất và trường không thể chuyển hóa cho nhau được. Nếu dựa vào quan niệm cổ điển về chất và trường và các quy luật chuyển động tương ứng ta không thể giải thích được các hiện tượng vật lý trong thế giới vi mô và các sự kiện thực nghiệm liên quan đến nó. Nói cách khác quan niệm cổ điển đó không còn phù hợp nữa, mà cần thay vào đó quan niệm mới hoàn toàn lượng tử - đó là lý thuyết trường lượng tử tương đối tính. Theo lý thuyết tương đối Einstein thì giữa khối lượng và năng lượng có mối liên hệ gắn bó với nhau theo công thức E = mc 2 . Mối liên hệ mật thiết này thể hiện ở chỗ : chỗ nào có năng lượng thì chỗ đó có khối lượng và ngược lại. Như thế sự tách biệt giữa chất và trường theo tiêu chuẩn khối lượng của vật lý cổ điển đã bị xóa nhòa. Khi cơ học lượng tử ra đời, trên cơ sở những giả thiết của Planck, Einstein và De Broglie đã hình thành quan niệm lượng tử : Trường cũng có tính gián đoạn, có tính chất hạt" (tính chất lượng tử của trường, suy ra từ các hiện tượng bức xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện) và những hạt của trường cũng có thể có những đặc tính của hạt chất ; ngược lại các hạt chất cũng có đặc tính của trường : Các hạt cũng có tính "sóng" (tính chất lượng tử) theo giả thuyết De Broslie, và nó loang ra trong không gian giống như trường. Các quy luật chuyển động sóng của các hạt vi mô đã được cơ học lượng tử nghiên cứu. Trong thế giới vi mô còn có nhiều hiện tượng khác với 8 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN trong thế giới vĩ mô. Chẳng hạn hiện tượng sinh hủy cặp, hai photon có năng lượng đủ lớn gặp nhau biến thành một cặp hạt electron - pôditron : 2γ → e - + e + đó là hiện tượng sinh cặp ; ngược lại một cặp hạt electron - poditron gặp nhau sẽ biến thành hai photon : e - + e + → 2γ đó là hiện tượng hủy cặp. Trước đây các nhà vật lý có ý phân biệt hai loại hạt : Những hạt chất - đó là những hạt có khối lượng nghỉ (thí dụ : electron - poditron), còn hạt photon không có khối lượng nghỉ được xem như những lượng tử hóa của trường. Chính hiện tượng phân hủy cặp đã minh chứng một điều mà chúng ta hằng mong đợi: các hạt chất và các lượng tử của trường có thể biến hóa lẫn nhau và hơn thế nữa các hạt chất cũng có thể được sinh ra và bị hấp thụ như các lượng tử của trường. Như vậy với quan niệm cũ cho rằng hạt chất là tập trung trong một kích thước giới hạn và có khối lượng, thì nay lại có thể mất kích thước và loang ra như trường, và ngược lại cho rằng trường là loang ra vô tận và không có khối lượng cũng tập trung thành hạt, cũng có khối lượng và có thể biến thành những hạt của chất. Do đó lý thuyết trường lượng tử tương đối tính là lý thuyết thống nhất giữa các hạt và các trường. Sự đồng nhất các khái niệm hạt và trường được lý giải theo quan điểm là : do tính chất sóng "lượng tử" của bất kỳ những hạt cơ bản nào và tính chất lượng tử "tính hạt" của tất cả các trường, mà mỗi một trường (theo cách hiểu cổ điển) đồng thời là tập hợp các hạt chất, còn mỗi tập hợp các hạt chất (theo cách hiểu cổ điển) là một trường nào đó. Lý thuyết trường lượng tử ra đời trên cơ sở hòa hợp lý thuyết tương đối và cơ học lượng tử. Vì thế lý thuyết trường lượng tử là lý thuyết hiện đại cơ bản nhằm tạo nên một lý thuyết nhất quát về các hạt, các trường và sự tương tác giữa chúng. Công bằng mà đánh giá thì cơ học lượng tử và sự áp dụng của nó đã giúp chúng ta giải thích một vấn đề quan trọng về cấu tạo nguyên tử, phân tử ; mặt khác cần áp dụng thành công trong một loạt các lĩnh vực khác nữa như liên kết Hóa học, Vật lý chất rắn, và Vật lý hạt nhân nguyên tử. Đồng thời cơ học lượng tử là cánh cửa đầu tiên mở ra cho chúng ta hiểu nhiều tiên đoán khác trong thế giới vi mô, song một điều cần nghi vấn ở đây là tại sao trường điện từ là một trong những trường đã biết từ lâu vẫn còn tiếp tục được mô tả bằng phương trình Maxwell của lý thuyết cổ điển. Bên cạnh đó cơ học lượng tử mới đề cập đến chuyển động các vi hạt mà không đề cập đến sự sinh và hủy nó. Như vậy cơ học lượng tử mới chỉ áp dụng để mô tả các hệ số hạt không đổi. Vì lẽ đó để có thể mô tả được cả các trường và sự sinh hủy các hạt - tức là hệ có thể có một số hạt thay đổi ta phải tiến hành tổng quát hóa cơ học lượng tử thành lý thuyết trường lượng tử. Để tổng quát hỏa cơ học lượng tử thành lý thuyết trường lượng tử - tức là thực hiện phép chuyển từ cơ học lượng tử sang lý thuyết trường lượng tử, chúng ta nhắc lại phép chuyển từ cơ học cổ điển sang cơ học lượng tử. Đây là bước chuyển từ hạt sang sóng và được gọi là sự lượng tử hóa lần thứ nhất. Thực chất của bước chuyển này là việc thay thế các đại lượng vật lý (trong cơ học cổ điển là các hàm số tuân theo quy luật nhân giao hoán bằng các toán tử tuyến tính tự liên hợp (nói chung không tuân theo phép nhân giao hoán số) thỏa mãn các hệ thức nhất định. 9 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN Có nhiều hiện tượng trước đây rất khó hiểu chưa giải thích được, thí dụ mômen từ dị thường của electron ở trường ngoài, sự dịch chuyển các mức năng lượng nguyên tử và một số các kết luận quan trọng về những tính chất của chất và trường. Nhưng khi dựa vào các quy luật của điện động lực học lượng tử ta mới giải thích được các hiện tượng khó hiểu đó. Từ những thành công đó, người ta đã chỉ ra rằng có tồn tại một dạng mới nào đó của vật chất mà trước đây ta chưa biết : đó là chân không của trường điện từ và chân không của trường electron - pôditron. Theo quan niệm của lý thuyết trường lượng tử thì chân không là trạng thái có năng lượng cơ bản thấp nhất của trường hay hệ các trường mà trong đó không tồn tại các hạt thực. Với nghĩa đó trong trạng thái chân không của trường điện từ không có các photon thực, nhưng vẫn tồn lại một loạt các hiệu ứng thể hiện trong đó có tồn tại những dao động không của chân không. Sự tồn tại các dao động không cũng là nét đặc trưng đối với chân không của trường electron - pôditron mà trong đó không tồn tại các hạt thực là electron và pôditron. Qua tất cả các hiện tượng trên, chúng ta thấy rằng chân không có những tính chất vật lý phức tạp. Cũng nhờ có khái niệm chân không vật lý mà sự tương tác giữa các hạt trong lý thuyết trường lượng tử được giải thích trên cơ sở coi sự tương tác đó là kết quả của việc trao đổi các lượng tử của các trường tương ứng. Thí dụ tương tác điện từ là kết quả của tự đổi photon ảo, tương tác mạnh là kết quả của việc trao đổi các mezon ảo. Khái niệm chân không và sự tương tác của nó với các trường khác giúp chúng ta giải quyết một số vướng mắc quan trọng ở trên, song nó lại dẫn đến cho điện động lực học lượng tử những vấn đề đặc biệt nan giải khác đó là sự xuất hiện các biểu thức phân kỳ trong công cụ tính toán của lý thuyết gắn với nó là phải áp dụng lý thuyết nhiễu loạn. Về mặt lý tưởng chúng ta có thể vượt qua được những trở ngại về phân kỳ nếu như bổ sung thêm sự tái chuẩn hóa lại các hằng số (khối lượng, diện tích ), nhưng điều này không thực hiện được trong các cách phát biểu của lý thuyết. Vì thế nhiều phương pháp tính toán mới đang được tìm tòi thay cho tính toán liên quan dấn phương pháp nhiễu loạn. Chúng ta biết rằng có nhiều lý thuyết nghiên cứu về cấu trúc và các tính chất của các hạt cơ bản sự tương tác và sự biến hóa lẫn nhau giữa chúng, nhưng lý thuyết trường lượng tử là một trong những phương pháp rất mạnh nghiên cứu kết quả các vấn đề đó. Ngay lý thuyết trường lượng tử cũng tồn tại ba phương pháp nhưng tương đương với nhau (một cách tương đối) : - Phương pháp hình thức luận lượng tử hóa thứ cấp. - Phương pháp tích phân phiếm hàm. - Phương pháp hàm Green. VI. Lý thuyết thống nhất lớn ( GUT - Grand Unification Theory) Lý thuyết thống nhất lớn, được hình thành trong tiến trình mở rộng mô hình chuẩn của vật lý hạt. Mô hình chuẩn đã miêu tả chính xác các quan sát thu được tính đến nay, nhưng nó đã bỏ ngỏ những câu hỏi mang tính chất cơ bản, một trong số đó chính là việc tại sao tự nhiên lại cần đến 4 lực cơ bản (lực điện từ, lực tƣơng tác hạt nhân yếu, lực tƣơng tác hạt nhân mạnh, lực hấp dẫn) mà không phải là 1, và tại sao độ lớn, cùng các tính chất, của chúng lại khác biệt đến vậy. Sự thành công của việc thống nhất tương tác điện 10 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN từ và tương tác yếu trong thuyết điện-yếu đã dẫn đến những nỗ lực nhằm thống nhất tương tác mạnh và sau cùng là lực hấp dẫn vào làm một, với tên gọi là Lý thuyết thống nhất lớn. Như trong thuyết điện yếu, sự chênh lệch về độ lớn của các mức năng lượng, dưới mức năng lượng nghỉ của các boson trung gian được miêu tả bằng việc phá vỡ đối xứng tức thời. Thuyết GUT đồng thời cũng giải thích sự tương đồng giữa điện tích electron và điện tích proton. Điểm nổi bật của thuyết GUT chính là các hằng số cặp của cả 4 tương tác đều có cùng một giá trị, gần bằng với hằng số mạng tinh thể ở mức năng lượng cao. Tuy nhiên mức năng lượng thống nhất trong lý thuyết lên đến 10 15 GeV trong khi các máy gia tốc hiện tại mới chỉ đạt tới 3×10 3 GeV. Vì vậy, cần có một sự tiến bộ lớn trong công nghệ để thực hiện được những thí nghiệm kiểm chứng cho thuyết GUT. Sơ đồ sự thống nhất các lực căn bản Lực điện Lực từ Lực tương tác hạt nhân yếu Lực tương tác hạt nhân mạnh Lực hấp dẫn Lực điện từ Điện động lực học lượng tử Sắc động lực học lượng tử Thuyết tƣơng đối rộng Lý thuyết điện – yếu Lý thuyết thống nhất lớn Vẫn chƣa thống nhất với lý thuyết thống nhất lớn Lý thuyết của mọi lý thuyết – Thuyết vạn vật V. Cơ chế Higgs - Higgs Boson Vào những năm 1980, khi CERN (Tổ chức nghiên cứu nguyên tử châu Âu) xin tài trợ cho LHC (dự án máy gia tốc hạt lớn) từ chính phủ Anh, Thủ tướng Anh lúc đó là bà Magaret Thatcher nói: "Nếu các anh có thể giải thích bằng thứ ngôn ngữ mà chính trị gia như tôi có thể hiểu được gì thì các anh sẽ có được tiền. Tôi muốn biết thứ gọi là hạt Higgs làm gì?" Và thú vị rằng, các nhà khoa học lúc đó nảy ra một ý tưởng như thế này: Trong một căn phòng đông người, những người này là hạt Higgs. Khi một hạt nào đó di chuyển trong vũ trụ, nó sẽ tương tác với các hạt Higgs. Lấy ví dụ như thế này: một người không mấy ai biết đến di chuyển qua phòng này, hẳn mọi người sẽ chẳng thèm đoái hoài; thế là những người này có thể dễ dàng nhanh chóng đi qua phòng (và lúc này tốc độ họ đi sẽ rất nhanh, và nếu trong trường hợp không một ai thèm để ý tới họ, họ sẽ di chuyển với tốc độ ánh sáng, tức họ không hề có khối lượng - massless) [...]... ra ở năng lượng vài TeV (thay vì 1012 TeV nếu các chiều thêm không thời gian không tồn tại) Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN 17 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm CHƢƠNG 2 – QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM TÌM KIẾM HẠT HIGGS Tìm kiếm boson Higgs đòi hỏi nhiều thủ thuật Giống như đa số các hạt hạ nguyên tử, nó không bền, và chỉ tồn tại ở các năng lượng cao Loại năng lượng vào khoảng ngay... trong hiểu biết về cấu trúc cơ bản của vật chất Phát biểu tại khán phòng của CERN nhà vật lý Peter Higgs đã chúc mừng các nhà nghiên cứu cho khám phá của họ “Đối với tôi, thật khó tin rằng điều này xảy ra trong quãng đời của mình”, ông nói Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN 24 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN 25 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết. .. liên quan với nhau và với vấn đề hạt Higgs Có thể liệt kê cụ thể hơn các vấn đề: 1) Kiểm tra Mô hình Chuẩn và nghiên cứu điều gì đã phá vỡ đối xứng điện yếu: vấn đề trung tâm là tìm hạt Higgs 2) Phát hiện các hạt siêu đối xứng: theo lý thuyết siêu đối xứng SUSY (SuperSymetry) ứng với mỗi hạt fermion có spin bán nguyên tồn tại một hạt siêu đối xứng boson có spin nguyên và ngược lại Lý thuyết siêu đối xứng... 3 chiều không gian) không? Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN 21 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm VI Quá trình tìm hạt Higgs Peter Renton, nhà vật lý hạt thuộc Đại Học Oxford, đã cho công bố phương pháp tiếp cận hạt Higgs của mình trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature Ông cho biết đã lần ra được manh mối về hạt Higgs nhờ các nhà nghiên cứu tại một cơ sở nghiên cứu nguyên tử ở... ra sự tồn tại của một hạt có những đặc tính "thích hợp với boson Higgs" ) Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN 13 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm Máy Tevatron ở Fermilab và Máy gia tốc hạt lớn (LHC) ở CERN đang trong quá trình cố gắng hiểu sâu hơn cơ chế Higgs trong tương tác điện yếu Sự Phá vỡ đối xứng tự phát là một cách để đưa ra các boson vào trong các lý thuyết trường lượng tử... Phòng KH & CN 23 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm Việc tìm thấy một loại hạt phù hợp với các định dạng về hạt Higgs sẽ mở ra chặng đường mới với những nghiên cứu chi tiết hơn, những bộ dữ liệu lớn hơn, nhằm xác định các đặc tính của loại hạt mới, và vén màn những bí ẩn khác trong vũ trụ của chúng ta Việc xác định các đặc tính của hạt mới sẽ cần nhiều thời gian và dữ liệu Nhưng dù... Môt lý thuyết đẹp tuyệt đã được giải mã hoàn toàn Thực sự là khi ấy chưa biết điều gì sẽ xảy ra tiếp theo nữa Có thể người ta đi giải quyết một số vấn đề khác như khối lượng của hạt neutrino, ứng viên vật chất tối và rồi lại nảy sinh một hạt cơ bản mới, thậm chí tương tác mới Có thể rất nhiều trong số chúng sẽ Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN 14 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm. .. của hạt Higgs, Hạt Higgs vây quanh các hạt vật chất và làm cho hạt vật chất có khối lượng, ví dụ những hạt electron, proton,… Ngược lại hạt Higgs “làm ngơ” với các hạt loại trường, và làm cho các hạt này không có khối lượng nghỉ, thí dụ là hạt photon ánh sáng Và như thế hạt Higgs là nguyên nhân của khối lượng vật chất Và cuối cùng dự án LHC được tiền vì lời giải thích hóm hỉnh của các nhà vật lý học... Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm CHƢƠNG 3 - KẾT LUẬN Các nhà vật lý đã tìm nhiều phương cách để tiếp cận hạt Higgs, và ngày 4/7/2012 hạt Higgs xem như chính thức được tìm thấy thông qua thực nghiệm Có tới 6 nhà khoa học đã đặt nền móng cho lý thuyết trường Higgs năm 1964 Nhóm đầu tiên Robert Brout và Francois Englert đến từ Bỉ, ngay sau đó là Peter Higgs ở Scotland, và kế tiếp là Tom Kibble... photon, Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN 12 Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm những gói năng lượng cấu tạo nên bức xạ điện từ, không có khối lượng Nên chúng lao qua vũ trụ như thể trường Higgs không hề có mặt – các photon và trường Higgs hoàn toàn „phớt lờ‟ nhau Ý tưởng của Higgs nhận được sự hoan nghênh từ phía đa số các nhà vật lí, và một số người khác thì la toáng lên bất ngờ . ánh sáng mà thực nghiệm quan sát được. + Hiện tượng bức xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng compton là những hiện tượng không thể giải thích dựa trên tính chất sóng của ánh sáng. Để giải. Đơn vị: Phòng KH & CN II. Các bộ phân tích cua LHC Hinh 4. Bộ phân tích CMS detector (Compact Muon Solenoid) của LHC (nguồn internet) Có sáu bộ phân tích (detector) đã được xây dựng. bên dưới mặt đất được đào tại các điểm giao của LHC. Hai bộ trong số đó, là ATLAS experiment và Compact Muon Solenoid (CMS), là những bộ phân tích hạt đa mục đích có kích thước lớn. Hai bộ A