Kết thúc cơn hạn lớn pot

112 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay Kt thúc cơn hn ln Trong hơn 20 năm, lí thuyết hạt đã bỏ thực nghiệm ở xa đằng sau bước chân của nó. Michael Riordan hi vọng Máy Va chạm Hadron Lớn sẽ giúp mang nền vật lí hạt trở lại cội nguồn thực nghiệm của nó. Vi Máy Va chm Hadron Ln (LHC), s sng ã chuyn sang xuân ti phòng thí nghim CERN  gn Geneva, cơn hn hán s liu ln trong ngành vt lí ht cơ bn cui cùng ã gn kt thúc. Không phi vì pha th hai ca Máy Va chm Electron-Positron Ln (LEP) ca CERN bt u hot ng vào năm 1996 trong lĩnh vc này ã có th kho sát vùng t còn trinh nguyên và o c nhng hin tưng kì l và tht s mi. Và c máy ch làm gp ôi ngưng năng lưng ca các máy va chm electron-positron trong nhng lĩnh vc ã ưc kho sát tng phn bng Tevatron ti Fermilab  Mĩ. Các nhà nghiên cu ti nhng c máy va chm này – tng mnh nht th gii trong hơn mt thp k - ch có th bóc ra lp v ngoài ca cái chưa bit. Nhưng LHC, xây dng bng cách lp t hàng nghìn nam châm siêu dn trong ưng hm LEP, s cho phép các nhà vt lí thâm nhp sâu hơn vào trái tim ti tăm ca nó.  ó, h hu như nht nh s khám phá ra cái gì ó khác mt cách căn bn. Mô phng mt l en vi mô to ra bng hai proton va chm 113 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay Khi cui cùng ã t ưc các thông s thit k ca nó, LHC s có năng lưng va chm gp 7 ln Tevatron. Và tc  va chm proton-proton tuyt i ln ca c máy, cái các nhà vt lí gi là “ ri” ca nó, v cơ bn s cao hơn 100 ln so vi t hp va chm  Mĩ hin nay. Cùng vi nhau, nhng tin b này trong công ngh máy gia tc s m rng ngưng thc nghim ca ngành vt lí năng lưng cao ngon mc gn như các máy va chm ht bui u ã tng làm – ADONE  Italy, Các vòng tr giao nhau (ISR) CERN, và SPEAR ti Trung tâm Máy gia tc thng Stanford (SLAC) – trong thp niên 1970, mt thp k d di ã lên ti nh im  mô hình thng tr ngày nay ca ngành vt lí ht, Mô hình ChuNn. Ngưi ta trông i cao rng các ht sm xut hin ti CERN s có tm quan trng ngang nga hoc thm chí còn vưt quá so vi nhng khám phá ã ưa n thành tu này. Tht là mt s ch i lâu, quá lâu. Trong nhng thp k ch i, lí thuyt ht ã nhy xa ra khi thc nghim, n nhng mc năng lưng không th t ti và nhng khong cách nh xíu tương ng mà con ngưi không bao gi có th hi vng tri nghim qua – ít nht cũng là không phi trc tip. Cái u tiên xut hin là siêu i xng trong thp niên 1970, mt nhánh tăng trưng ca các lí thuyt chuNn ã t ra ht sc thành công trong s hp nht các lc yu và lc in t. Các lí thuyt SUSY này, như tên gi ca chúng ưc bit ti, ã m rng chương trình thng nht bi vic hp nht lc mnh và lc in yu vào trong mt tng th ln, cha ng tt c. Chúng còn tiên oán mt s tha thi các ht mi có th phát hin ưc có khi lưng hàng chc n hàng trăm ln ln hơn khi lưng ca ht proton quen thuc. Cái khin cho thc nghim tiêu tan hi vng và hoàn toàn không có kh năng phn ng có ý nghĩa là các lí thuyt dây ca thp niên 1980. Không h có bt kì tiêu chuNn chung nào có th thNm tra  hn ch s phát trin ca chúng, các lí thuyt sơ khai ó bt u bùng phát gp bi kiu như nhng chú th  Úc châu. Tiêu chuNn duy nht hn ch s lưng ca chúng là các tiêu chuNn ch quan như tính nht quán và tính tao nhã v mt toán hc. Các s gia khoa hc bt u lưu ý mt s chuyn dch tinh vi nhưng quan trng trong cách làm vt lí, trong ó các quan sát dưng như chng còn là vn  gì nhiu – ít nht là không phi vi các nhà lí thuyt dây – trong tin trình chng thc các lí thuyt. Các nhà vt lí ht ch có th phàn nàn, và mt s tht s quá kch lit, rng lĩnh vc nghiên cu ang tr li thành siêu hình hc và trit hc. Từ miếng giẻ rách đến vật báu Trng thái áng tic này ca câu chuyn khoa hc tht may la ang n hi kt thúc. Hai máy dò ht khng l ca LHC, ATLAS và CMS – c hai nhp li  kim loi  dng li tòa tháp Eiffel – s sm b bn phá liên tc bi nhng s lưng khng khip các ht năng lưng tính khc 114 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay ra t các va chm proton-proton d di  gia ca chúng. Trong khi Tevatron cung cp cho các nhà vt lí cái nhìn vào các ht và nhng quá trình xy ra  nhng năng lưng lên t vài trăm t electron-volt và  nhng khong cách xung ti gn 10 -18 m, thì LHC s cho phép h quan sát cái xy ra  vài nghìn t electron-volt (TeV) và  nhng khong cách nh hơn 10 ln. Mt trong nhng mc tiêu ban u s là boson (hay các boson) Higgs săn tìm lâu nay và ã tn nhiu công dò tìm, tr ct ca Mô hình ChuNn ưc cho là nhúng chìm a s thc t cơ s khác ca nó vi các khi lưng ni ca chúng. Các thí nghim t trưc n nay ti LEP và Tevatron ràng buc khi lương ca mt boson Higgs chuNn, c lp nm gia 0,114 và khong 0,150 TeV, mt ngưng năng lưng thp và rt hp, vi nhng kh năng hin có. Nhưng Tevatron có  ri âu ó gn như LHC, chúng t ra thit yu trong vic ln theo bóng ma hay lNn tránh, him hoi này. Các nhà nghiên cu Fermilab vn có th bt gp mt cái nhìn thoáng nhanh ca boson Higgs trong các phép chy thc nghim vn còn hot ng ca h, nhưng vic khám phá chính thc, không gian di ca nó hu như chc chn s cn n LHC. Mt nhà thc nghim ang ng trưc ATLAS, mt trong hai máy dò ht chính ti Máy Va chm Hadron Ln. 115 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay Nhưng khi lưng thp mt cách l kì ca boson Higgs còn có mt nan  gây nghi vn khác gi là “bài toán cp bc khi lưng”. Theo lí thuyt trưng lưng t, các hiu chnh lưng t khng l s nâng khi lưng ca boson Higgs (và ca các ht sơ cp khác) lên gn mc khi lưng Planck 10 16 TeV, bc  ln cao hơn so vi yêu cu bi các thí nghim chính xác. Cái gì gi cho khi lưng ca nó thp như vy ? Siêu i xng mang li mt câu tr li khéo léo, nu không nng n, cho bài toán này bi vic tiên oán s tn ti ca các ht ng hành siêu i xng cho tt c các ht Mô hình ChuNn – mt photino cho photon, mt selectron cho electron, mt squark cho mi quark, và vân vân. Các ht kì l như vy t nhiên trit tiêu các hiu chnh kinh khng này trong lí thuyt và gi cho khi lưng ca các ht Mô hình ChuNn tương i thp. Mc dù các siêu ht này có th cân nng v cơ bn cao hơn các ht ng hành Mô hình ChuNn ca chúng, nhưng chúng không th có khi lưng trên mt vài TeV. Nu siêu i xng tht s là li gii ti hu ca bài toán phân cp, thì các ht này cui cùng phi xut hin ti các mc năng lưng LHC. Tuy nhiên, vic phát hin các siêu ht tht s chng d dàng gì. Có nhiu n mc gây hoang mang các lí thuyt có kh năng, ưa n vô s tiên oán cho các ht có th quan sát ưc vi mt ngưng rng các khi lưng và phân hy tim năng. úng như nhà lí thuyt SLAC James “BJ” Bjorken ã có ln cnh bo vi tôi, “SUSY là mt cô gái ht sc khó chinh phc!” Mt vn  na là a s siêu ht s phân hy thành các ht không nhìn thy thoát ra khi máy dò không th quan sát ưc. Nhng s kin như vy do ó s tr nên hin nhiên như không th tìm thy năng lưng ngang– mt s mt cân bng trong s phân b ca năng lưng kh kin vuông góc vi hưng chùm ht. Tuy nhiên, nhng thiu ht tương t cũng có th b gây ra bi các ht Mô hình ChuNn không nhìn thy như các neutrino hay bi các khe trng trong góc phân kì ca máy dò ht. Vì th,  xác minh mt ht mi và bt thưng tht s có mt bên trong máy dò ht ca h, các nhà thc nghim phi tính toán chính xác và loi tr tt c phông nn như vy, chúng có th v thc cht ln hơn tín hiu mà h ang c trích ra. ây là mt nhim v ht sc khó khăn, b phc tp hóa bi thc t tín hiu như trông i có th s không xut hin dng mt cc i cng hưng sc nhn mà thay vào ó s b m rng bi chuyn ng hn lon ca các quark và gluon bên trong các proton ang va chm – mt quá trình ln xn mà nhà lí thuyt Richard Feynman ã có ln so sánh là “cho va chm thùng rác vi thùng rác”  thy cái gì bên trong. Trái li, vic thu nht các tín hiu bt ng ưa n bng chng u tiên cho các quark vào cui nhng năm 1960 và u nhng năm 1970. Các tín hiu này tht ln – hơn nhiu bc  ln so vi phông nn vn còn li sau khi các ct gim ơn gin ã ưc áp dng cho d liu  loi 116 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay tr các tp nham rõ ràng. Ví d, các máy dò ht ISR th h u tiên ã b nhn chìm bi cơn lũ hadron phun ra  nhng góc ln t các va chm mnh ca các quark và gluon thành phn ca các proton. Và vào tháng 11 năm 1974, mt cc i hp ã nhô lên trong tit din sn sinh hadron ti máy va chm ht electron-positron SPEAR trên ranh gii ó khong 100 ln. Các tín hiu bom tn này tht chng th nào b l ưc! Nu như chúng tn ti, các siêu ht s không  li vt chân rõ ràng nào như vy trong hai chương trình hp tác thí nghim LHC công nghip nng, mi chương trình gm hơn 1000 nhà vt lí. Vic ln theo mt con mi phù du, hay lng tránh như vy có th t ra là mt công vic gian khó, y trc tr. ây là nơi tính ch quan có th len sâu vào công trình thc nghim. Nhiu nhà vt lí, nhà lí thuyt và nhà thc nghim tha thit mun thy s tht chng t s siêu i xng, vì nó gii ưc nhiu vn  mè nheo mt lưt mt. Không nhng nó gii ưc bài toán phân cp, mà nó còn có th d dàng gii thích cho vt cht ti bí Nn trong vũ tr, bng chng gián tip cho vt cht ti tr nên áp o. Và các lí thuyt dây cn n nó vô iu kin. Nhưng ng lc u tiên là thc hin nhng khám phá quan trng có th ưa các nhà thc nghim nng nhit làm cho khp các ct gim d liu, các phông nn không úng mc, và như vy vô tình ã làm gi các kt qu mà h mong mi mun khai phá. Các nhà vật lí khóc tìm hạt Higgs Quá trình y ri ro này xut hin quá thưng xuyên trong lch s vt lí hc, và các khám phá boson Higgs gi mo có v là nhng thí d nht nh còn tái din. Mt báo cáo sai ã xy ra ti LEP ngay trưc khi nó óng ca theo lch nh hi năm 2000. Trong câu chuyn này, cái ã to ra nhng dòng tít chy  trang nht trên nhng t báo chính như ew York Times, ba trong bn nhóm hp tác LEP ã báo s kin quá mc – sáu hoc by, nu không nói tt c - ã háo hc tìm hiu s phân hy ca mt boson Higgs 0,115 TeV. Bng chng tht hp dn, nhưng không  rõ ràng  thuyt phc ban iu hành CERN kéo dài thi gian tn ti ca LEP vào năm 2001 và vì th làm hoãn vic xây dng LHC. Khi bi bm bt u ưc quét dn vài tháng sau ó, hóa ra là các nhà thí nghim nht nh ã ánh giá không úng các sai s có th có trong nhng phép o ca h và như vy ã cưng iu ý nghĩa thng kê ca tín hiu biu kin. Cái duy nht cui cùng h kt lun là khi lưng ca boson Higgs phi nm trên 0,114 TeV, vi  tin cy 95%. Vn có mt cơ may rng hin tưng biu kin ó tht s là thc, nhưng mt vài nhà vt lí ang ánh cưc trên nó. Gn ây hơn, có mt làn sóng tin n tương t rng mt boson Higgs vi khi lưng 0,160 TeV ã ưc thoáng trông thy ti Fermilab vào u năm 2007. Kh năng mt boson như 117 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay vy có th d dàng gii thích bi mt lí thuyt SUSY sau khi iu chnh nh các thông s lí thuyt ca nó ã châm thêm du vào nhng tin n này – chúng n ra sau khi các kt qu b tit l ưm  ti mt hi tho không chính thc vào tháng giêng hình như vn  là ây ch là mt hiu ng “2σ”, mt thăng giáng hai  lch chuNn trên các mc phông nn, chúng có th xy ra vi xác sut 5%. Vì các thăng giáng 2σ xy ra luôn luôn, nên các nhà thc nghim a nghi thưng không xem chúng nghiêm túc lm. Ba  lch chuNn là ti thiu tuyt i, tương ng vi ch 0,3% cơ hi thăng giáng ngu nhiên, và 5σ là “tiêu chuNn vàng” cho ngành vt lí ht. Nhưng sc quyn rũ ca vic tìm kim bng chng cho siêu i xng, ưc tip tay bi các nhà báo háo hc khai thác tin tc, t ra quá khó cưng li. Nhà lí thuyt John Ellis, ngưi làm vic ti CERN và ang mt ngưi ch trương hàng u ca siêu i xng. Trong khi nhng làn sóng phê bình tương t có th xy ra ti LHC, nhưng tôi nghi ng rng thái  hoài nghi bNm sinh ca các nhà thc nghim s kim ch h và cui cùng chin thng, như nó ã tng thc hin trong nhng trưng hp trên. Các nhà vt lí ht thc nghim ã phát trin các kĩ thut phân tích tht s mnh m, như s dng phn mm phân tích mng neuron hc trên công vic và ci tin khi d liu dn ti,  ương u vi các phông nn nght th ng 118 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay  ti các máy va chm hadron. H ã bt u khai thác phép phân tích d liu “mù”, trong ó các kt qu cui cùng ưc thn trng khi xem ti cho n khi có  d liu vào,  hn ch vic iu chnh ch quan các ct gim thc nghim. Và các quá trình xem xét thn trng ca nhng chương trình hp tác khng l này, trong ó các khám phá ưm  chu mt s phê bình nghiêm khc trong ni b trưc khi tr thành chính thc, làm gim bt vic công b các kt qu không chính xác. Nu vn còn bt c nghi ng nào, thì tm vi thc nghim khng khip ca LHC s tác dng như s phán xét cui cùng. C máy va chm này có th to ra các s kin vi năng lưng TeV còn thiu, trong ó a s các phông nn Mô hình ChuNn tt gim xung. Nu mt tín hiu SUSY tht s có mt, thì cui cùng nó phi ni lên rõ ràng hơn trong vùng này. Cầu vồng của lực hấp dẫn Mt lĩnh vc khác gây hng thú lí thuyt và thc nghim mnh m là kh năng – phát sinh trong thp k va qua hay khong thi gian y – quan sát lc hp dn tác dng trong các va chm ht. Tt c các lí thuyt dây u bao hàm các chiu không gian thêm vào ngoài ba chiu không gian quen thuc, nhưng trong nhng h lí thuyt dây nht nh ã ưc nghiên cu k t gia thp niên 1990, mt s trong nhng chiu Nn náu này ln hơn nhiu so vi thang Planck 10 -35 m thông thưng. Chúng có th b cun lên, hay “khép li”,  thang chiu dài lên ti khong 10 -18 m và vn không vi phm các kim nghim tm ngn hin có ca lc hp dn Newton. Nhng chiu dài này tương ng vi thang năng lưng TeV mà LHC sp kho sát. Vic này tương ương vi vic kéo thang Planck xung mt mc năng lưng thp hơn nhiu, như vy làm cho lc hp dn mnh hơn nhiu so vi chúng ta tri nghim  nhng khong cách vĩ mô. Nu các lí thuyt dây mi hơn này có giá tr  nhng chiu dài và năng lưng như th, thì các hin tưng mi kì l s bt u xut hin ti LHC. i vi nhng ngưi hoài nghi cao  như tôi, ây là mt bin chuyn huyn thoi ca các s kin. Các lí thuyt dây – hay ít nht là mt s trong s chúng – co th ưa ra nhng tiên oán có th xác minh ưc, kim nghim ưc! Mt biu hin kh dĩ ca các chiu thêm vào ln s là s xut hin ti LHC ca các tuyn ơn l - các chùm chuNn trc cht – ca các hadron di li trên mt ht không nhìn thy, dn n năng lưng b mt theo hưng ngưc li. Các s kin “ơn tuyn” như vy có th hiu là s sn sinh ca mt gluon cng vi mt graviton (ht sơ cp gi nh trung chuyn lc hp dn), xy ra vì lc hp dn mnh hơn nhiu  thang bc này so vi trưc ây tưng tưng. Nhưng ging như các s kin SUSY, các s kin ơn tuyn này phi chu các phông nn Mô hình ChuNn to ln, và các nhà thc nghim s phi phân bit bt kì s vưt tri nào khi s xut hin ca bn thân SUSY. Cách gn như duy nht  làm như vy là xác nh spin ca các ht không nhìn thy (graviton có spin 2), ó có th là mt công vic òi hi phi khép li vi LHC. 119 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay May thay, có mt tín hiu d phân bit òi hi bi các lí thuyt vi các chiu thêm vào ln có th quan sát ưc nu như chúng tht s tn ti: các kích thích Kaluza–Klein. ưc tiên oán tn nhng năm 1920 bi Theodore Kaluza và Oscar Klein, nhng ngưi nghiên cu các lí thuyt trưng 5D, ây là các phiên bn a TeV ca photon và boson Z. Chúng s phân hy thành các cp electron-positron hoc muon s ni bt lên khi các phông nn hadron tính nght th ca LHC – ging ht như ht J ni ting ã tng làm ti Phòng thí nghim quc gia Brookhaven  Mĩ vào cui năm 1974. Tht vy, có th có các “tháp” quan sát ưc ca nhng kích thích này, các dãy lp li ca chúng tri ra nhng mc năng lưng ngày càng cao. Nhưng  ây mt ln na, cho dù có tha ma n mc trêu ngươi các cp lepton này, thì các nhà nghiên cu LHC s vn phi tìm cách phân bit chúng khi nhng kh năng khác. Có nhiu lí thuyt và hin tưng tim năng khác ang ưc các nhà vt lí xem xét khi h ch i cơn lũ d liu to ln mà ngưi ta trông i LHC s mang ti trong vài năm na. Nu lc hp dn tht s tăng lên  mnh  thang nhiu TeV, chng hn, thì các l en vi mô có th ưc to ra nhiu vô khi. Cái s xut hin ti LHC s vn là tiên oán ca bt kì nhà lí thuyt nào. Có kh năng nht, mt cái gì ó hoàn toàn bt ng cui cùng s trình hin  ATLAS và CMS. Khi nào tm vi thc nghim ưc m rng xa thêm na, như lch s cho thy, thì thưng s có gì ó xut hin. Và tt nhiên s có nhng li i mù quáng và ng r sai lm ang ch i các nhà thc nghim quá háo hc kia c gng lao vào cuc ua và xây dng danh ting khoa hc ca h. ó là cái ưc trông i trong hành trình bình thưng ca mt n lc khoa hc li kì như vy. Nhưng mt ln na, vi s giao nhau khe khon, tích cc gia lí thuyt và thc nghim, tôi tin rng s tht cui cùng s ló dng t bt kì s hn lon nào như th - cùng vi din mo nn vt lí mi ni bt mà mt vài ngưi có th ã tham gia. Michael Riordan, tác gi quyn The Hunting of the Quark. Ông dy vt lí và công ngh ti trưng i hc Stanford và i hc California, Santa Cruz, Mĩ Ngun: Ending the great drought (Physics World, tháng 10/2008) hiepkhachquay dch An Minh, ngày 16/10/2008 . © hiepkhachquay Kt thúc cơn hn ln Trong hơn 20 năm, lí thuyết hạt đã bỏ thực nghiệm ở xa đằng sau bước chân của nó. Michael Riordan hi vọng Máy Va chạm Hadron Lớn sẽ giúp mang nền vật. chuyn sang xuân ti phòng thí nghim CERN  gn Geneva, cơn hn hán s liu ln trong ngành vt lí ht cơ bn cui cùng ã gn kt thúc. Không phi vì pha th hai ca Máy Va chm Electron-Positron. rách đến vật báu Trng thái áng tic này ca câu chuyn khoa hc tht may la ang n hi kt thúc. Hai máy dò ht khng l ca LHC, ATLAS và CMS – c hai nhp li  kim loi  dng li tòa