Hạt Higgshạt của Chúa

HẠT HIGGS VÀ CÁC THÍ NGHIỆM TÌM KIẾM NÓ Lê Thị Kim Nhung Lí 4D, trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh TÓM TẮT: Hạt Higgs hay boson Higgs hạt mô hình chuẩn ngành Vật lý hạt, Peter Higgs đưa giả thuyết vào năm 1964 Hạt Higgs có vai trò quan trọng vụ nổ Big Bang diễn cách 13,7 tỉ năm Việc tìm hạt Higgs giúp lí giải hạt lại có khối lượng Để làm điều đó, nhà khoa học viện Vật lý châu Âu CERN tạo máy gia tốc LHC gia tốc proton lên vận tốc xấp xỉ ánh sáng, sau cho chúng va chạm với Từ đó, nhà khoa học chứng minh tồn hạt Higgs Tôi viết báo nhằm làm rõ trình tìm hạt Higgs tìm hiểu số đặc trưng hạt Higgs Từ khóa: Hạt Higgs, thí nghiệm tìm kiếm hạt Higgs 1.MỞ ĐẦU Vật lý hạt khoa học nghiên cứu hạt tương tác chúng Vật lý hạt thật mang lại nhiều ý nghĩa cho ngành khoa học khác khám phá to lớn vũ trụ mà tìm Năm 2012 năm đánh dấu thành công lớn ngành Vật lý hạt nói riêng Các nhà khoa học trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) công bố tìm hạt Higgs hay gọi “hạt Chúa”, kiện khoa học bật năm 2012 Vậy hạt Higgs có đặc tính gì, gọi “hạt Chúa”, nhà khoa học làm cách để tìm Higgs, hạt Higgs tồn lý giải điều Để trả lời tất câu hỏi đó, định chọn đề tài: “HẠT HIGGS VÀ CÁC THÍ NGHIỆM TÌM KIẾM NÓ” để viết báo Trong báo này, trình bày vấn đề sau:     Hạt lý thuyết mô hình chuẩn Nguồn gốc tên gọi hạt Higgs Giả thuyết Peter Higgs trình tìm kiếm hạt Higgs Tầm quan trọng việc phát hạt Higgs NỘI DUNG Hạt lý thuyết mô hình chuẩn Hạt hạt nhỏ, có kích thước vi mô, tồn đồng loại hạt cấu trúc nên giới Không nên hiểu hạt hạt nhỏ phân chia thân proton (gồm quark u, quark d) hay neutron (2 quark d, quark u) hạt Vũ trụ vô tận sức người có hạn nên ta hiểu hết giới Chúng ta biết hạt hạt nhỏ vũ trụ Khái niệm hạt có tính chất tương đối, tùy thuộc vào mức độ hiểu biết giới người Vật chất tương tác với loại tương tác tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh tương tác yếu Nếu có lý thuyết mô tả bốn loại tương tác lý giải tất tượng vũ trụ Với mong muốn hiểu biết sâu vũ trụ, nhà vật lý tiến hành xây dựng lý thuyết tương đối hoàn chỉnh tương tác hạt, bao gồm ba loại tương tác: tương tác điện từ, tương tác mạnh tương tác yếu Sở dĩ lý thuyết tương đối hoàn chỉnh bỏ sót tương tác hấp dẫn, nói chưa thể lý giải tương tác hấp dẫn vật chất vũ trụ Lý thuyết mô hình chuẩn thực trở nên hoàn chỉnh lý giải tương tác hấp dẫn Để lý giải tương tác hấp dẫn vật chất, nguyên nhân vật chất có khối lượng, Peter Higgs đưa giả thuyết hạt Higgs-mảnh ghép cuối lý thuyết mô hình chuẩn Trường Higgs tồn bổ sung hoàn thiện lý thuyết mô hình chuẩn Một loại hạt boson xuất mô hình chuẩn có vai trò đặc biệt bên cạnh hạt boson khác bốn loại tương tác vật chất Photon hạt trung gian tương tác điện từ Tương tác yếu có hạt trung gian boson W Z Hạt truyền tương tác tương tác mạnh gluon Và Higgs hạt truyền tương tác tạo nên trường Higgs-nguồn gốc khối lượng vật chất Giới khoa học tin tưởng vào tồn Higgs, bên cạnh có số nhà khoa học hoài nghi Tuy nhiên, dù tin tưởng hay hoài nghi họ kì vọng vào tồn Higgs Trong thập kỷ qua, nhà khoa học chưa có manh mối Higgs Nguồn gốc tên gọi hạt Higgs Hạt Higgs gọi với tên khác “hạt Chúa” hay “hạt Chúa trời” Hạt Higgs hạt Chúa trời ban cho tạo nên vật chất giới niềm tin tín hữu Ki-tô giáo: “ Thiên Chúa đấng tạo thành trời đất muôn vật hữu hình vô hình” Bên cạnh đó, có nhiều ý kiến cho hạt Higgs ban đầu nhà khoa học gọi hạt mắc dịch "goddamn particle" dường chứng minh tồn Về sau, nhiều người đọc lái thành “god particle” để dễ nghe ngôn từ Từ đó, hạt Higgs xem “hạt Chúa” Mặc dù có nhiều tranh cãi tên gọi hạt Higgs tầm quan trọng không phủ nhận Việc tìm hạt Higgs thành công lớn ngành Vật lý nói chung Vật lý hạt nói riêng Giả thuyết Peter Higgs trình tìm kiếm hạt Higgs Hiện nay, biết vũ trụ tạo 12 hạt trường vật chất khác Trong số 12 hạt này, có hạt quark hạt lepton Đầu tiên, phát nguyên tử, proton, neutron electron, hạt quark, lepton Các hạt có khối lượng, chúng liên kết với để tạo thành dạng vật chất đất, đá, nước hay không khí Nhưng chưa giải thích hạt lại có khối lượng Nhân tố làm cho hạt có khối lượng câu hỏi lớn cho nhà khoa học nói chung nhà Vật lý học nói riêng Higgs hay Higgs boson hạt đưa giả thuyết vào năm 1964 Cơ chế Brout-Englert-Higgs (BEH) lần đề xuất hai báo công bố độc lập Bài báo thứ nhà vật lý người Bỉ Robert Brout François Englert Bài báo thứ hai nhà vật lý người Anh Peter Higgs Sau đó, báo thứ ba Hình 1: Hai nhà vật lý Robert Brout François Englert xuất Gerald Guralnik Carl Hagen đồng nghiệp người Anh Tom Kibble đóng góp vào phát triển ý tưởng mới, mà phần thiết yếu mô hình chuẩn vật lý hạt Mô hình chuẩn lý thuyết giải thích tất tượng vũ trụ Tuy nhiên, mô hình chuẩn không giải thích hạt số hạt photon lại khối lượng khối lượng hạt không giống Vậy khối lượng hạt có tác nhân Hạt Higss tồn câu trả lời hoàn hảo cho tất câu hỏi mảnh ghép cuối lại mô hình chuẩn mà nhà Vật lý sức tìm kiếm Theo Peter Higgs, khối lượng hình thành vật chất tương tác với trường đặc biệt trường Higgs Trường Higgs hình thành sau vụ nổ Big Bang khoảng phần tỷ giây Ông cho hạt Higgs tác nhân truyền tương tác cho trường Higgs, hạt có khối lượng lớn hay nhỏ phụ thuộc vào mức độ tương tác hạt với trường Higgs Hạt tương tác mạnh, khối lượng hạt lớn Peter Higgs xây dựng phương trình mô tả chuyển động hạt bắt nguồn từ học lượng tử Nếu giả định hạt khối lượng việc giải phương trình dễ dàng cho kết hoàn hảo Thực tế hạt có khối lượng phương trình trở nên phức tạp, không quán giải Ông tin khối lượng tính chất vốn có vật chất Từ đó, ông không đưa vào phương trình chuyển động hạt yếu tố khối lượng mà Peter Higgs cho hạt tương tác trường đặc biệt có vai trò truyền khối lượng cho hạt Năm 1964, Peter Higgs gửi kết nghiên cứu cho tạp chí Vật lý tiếng Song nhà biên tập tạp chí cho ông ngớ ngẫn đề cập đến vùng không gian mà chẳng liên quan đến Vật lý Họ cho môi trường có khả truyền tương tác tạo nên khối lượng có Tuy giả thuyết trường Higgs không công nhận Peter Higgs kiên định với quan điểm Mãi đến năm 1980, cộng đồng vật lý sau nghiên cứu phần lớn chấp nhận giả thuyết trường Higgs Tuy nhiên, giả thuyết chưa kiểm chứng Ngay sau lí thuyết trường Higgs đề xuất, nhà khoa học tính kết cho thấy có chuyển pha diễn không gian sau vụ nổ Big Bang Pha chuyển giao giải thích thống hai lực tự nhiên: lực điện từ trường lực hạt nhân yếu Trước xuất trường Higgs, hai trường lực thống tách rời Tất trường lực mô hình toán học nhà Vật lý tất hạt không xuất yếu tố khối lượng Hạt ánh sáng hay photon ánh sáng có vai trò truyền lực khối lượng Vậy điều tạo nên khối lượng vật chất Muốn lý giải điều đó, nhà khoa học cần phải tìm thấy hạt Higgs Để tìm thấy dấu vết Higgs, nhà khoa học cách cần tái lại vụ nổ Big Bang phòng thí nghiệm Các nhà khoa học CERN tạo máy gia tốc LHC, gia tốc proton đến vận tốc xấp xỉ vận tốc ánh sáng cho chúng va chạm vào Từ đó, họ chứng minh tồn Higgs CERN bắt nguồn từ viết tắt tiếng Pháp Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, thành lập vào năm 1952 với nhiệm vụ trở thành trung tâm nghiên cứu hạt châu Âu CERN nơi hợp tác nhà Vật lý giới, có 20 quốc gia thành viên Thí nghiệm CERN tiến hành máy gia tốc lớn, đặt lòng đất gần biên giới Thụy Sĩ Pháp có chu vi lên đến 27km, có 10000 nhà Vật lý nhà nghiên cứu khoa học làm việc LHC tiêu tốn khoảng 10 tỷ USD với nhiệm vụ tìm dấu vết hạt Higgs Để làm điều đó, cổ máy phải gia tốc hạt chuyển động quỹ đạo tròn lên vận tốc cực lớn gần vận tốc ánh sáng với tần số quay cỡ 11000 lần/ giây Sau đó, hạt điều chỉnh hướng bởiLogo namCERN châm để chúng Hình 2: va chạm vào cực nhanh cực mạnh, hàng triệu va chạm nháy mắt Hình 3: Va chạm hạt tạo đốm sáng pháo Các va chạm mạnh nhanh tạo đốm sáng pháo bông, máy dò có nhiệm vụ chụp lại hình ảnh Máy gia tốc LHC hoạt động nhiệt độ thấp khoảng 1,9 K nên thiết bị siêu lạnh lớn giới Máy gia tốc nằm độ sâu từ 50 đến 175 m mặt đất đường hầm vòng tròn có chu vi 27 km Chiếc mày xây dựng từ năm 1983 đến năm 1988 bê tông với đường kính hầm 3,8 m nguyên dùng làm nơi chế tạo máy Large Electron-Positron Collider LHC nằm phần lớn nước Pháp, chạy qua biên giới Pháp-Thụy Sỹ Trên mặt công trình bao gồm nhiều thiết bị hỗ trợ máy nén, quạt gió, thiết bị Hình 4: Máy gia tốc hạt Large Hadron Collider điện tử điều khiển thiết bị làm mát LHC chế tạo với tham gia hàng trăm trường đại học phòng (LHC) lớn giới, chôn ngầm lòng đất thí nghiệm giới với 8000 nhà vật lý Ngày 10 tháng năm 2008 hạt dẫn vào máy LHC khoảng đến tuần sau Các đợt va chạm với lượng cực lớn diễn Với máy gia tốc LHC, nhà khoa học tái tạo lại vụ nổ Big Bang-vụ nổ kiến tạo vũ trụ với 500000 vụ va chạm máy gia tốc LHC cuối họ tìm hạt Higgs Từ họ rút kết luận vật chất tạo từ đâu chúng có khối lượng Tầm quan trọng việc phát hạt Higgs Tìm thấy hạt Higgs, công tìm kiếm mảnh ghép cuối mô hình chuẩn thành công Một lý thuyết tuyệt đẹp vượt qua thách thức giải mã hoàn toàn thực nghiệm Mô hình chuẩn coi lý thuyết hoàn chỉnh, làm giới quan đầy đủ khép kín Hạt Higgs tìm thấy mở đường cho nghiên cứu chi tiết nhằm thiết lập đặc tính phân tử mới, đồng thời vén bí ẩn khác vũ trụ Hạt Higgs khẳng định trường vô hướng Higgs tràn ngập trạng thái chân không vũ trụ từ thuở sơ khai Big Bang Quan điểm khối lượng có thay đổi lớn Trường Higgs nguồn gốc khối lượng vật chất, tương tác mạnh khối lượng lớn nhiêu Việc tìm thấy hạt Higgs mở đường cho nghiên cứu mới, nguồn gốc dạng lượng vũ trụ Vũ trụ giống electron dây dẫn Bình thường, chuyển động nhiệt hỗn loạn không tạo nên dòng điện, áp hiệu điện vào, electron chuyển động có hướng tạo thành dòng điện Trường Higgs có vai trò vậy, giúp liên kết hạt lại để tạo nên vật chất Hạt Higgs mang lại nhiều lợi ích cho sống người tương lai Hạt Higgs tồn đưa lý giải cho giản nỡ vũ trụ Điều mà nhà thiên văn học gặp nhiều vướng mắc Trường cung cấp lực đủ mạnh để tạo nên vụ nổ Big Bang Mặc dù chưa có nhận định rõ ràng, nhà vật lý nhận thấy đặt trường giống trường Higgs vào, họ tách trường tạo nên vụ nổ Hình 5: Sự vui mừng nhà khoa học tìm hạt Higgs làm hai phần: trường khối lượng trường lực đẩy Thí nghiệm từ máy gia tốc LHC cho thấy hai trường giả định thật tồn Đó trường Higgs Qua đó, nhà thiên văn học có nhìn vụ nổ Big Bang Theo nhà khoa học dự đoán, vũ trụ tồn loại hạt mà nguyên nhân diệt vong nhân loại Hạt hạt bosson phép tiên đoán cho thấy nhân loại bị diệt vong sau vài chục tỉ năm Có vài nhận định cho hạt hạt Higgs Vì trường Higgs có khắp nơi vũ trụ, cho tạo nên lỗ hổng vùng chân không vũ trụ Và lỗ hổng đến diệt vong Tuy nhiên, chuyện dự đoán Một số đặc trưng hạt Higgs Kí hiệu: H0 Loại hạt: boson Khối lượng: 125,3 ± 0,6 GeV Thời gian sống: 1,56 × 10 -22 s Điện tích: Màu tích: KẾT QUẢ Năm 2004, nhà khoa học công bố khối lượng hạt Higgs vào khoảng 115 GeV Năm 2009, nhà kha học giả định hạt Higgs không tương tác với hạt mô hình chuẩn mà tương tác bí ẩn với hạt có khối lượng khổng lồ góp phận tạo nên vật chất tối Năm 2012 nhóm CMS công bố khối lượng hạt Higgs khoảng 125,3 GeV nhóm ATLAS công bố khối lượng Higgs khảng 126,5 GeV Số liệu hai nhóm nghiên cứu sai lệch nhiều, hạt Higgs nặng khối lượng proton khoảng 133 lần Ngày 4/7/2012, nhà vật lý Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu CERN vui Hình 7: Mô kiện xảy LHC Viện Vật lý hạt châu mừng công bố phát hạt mới, hạt giống với hạt Higgs boson lí thuyết tiên đoán Âu,boson CERN Công bố làm chấn động giới giúp khẳng định lý thuyết mô hình chuẩn Đó kết lao động sáng tạo miệt mài hàng trăm ngày đêm tập thể đồ sộ nhà vật lý quốc tế trung tâm khoa học hàng đầu CERN Geneve (Thụy Sỹ), cỗ máy lớn giới giá chục tỷ USD (tên gọi Large Hadron Collider LHC) kết hợp với hệ thống thí nghiệm, ghi đo phân tích phức tạp ATLAS CMS Ngày 14/3/2013, tập thể khoa học CERN tiếp tục làm sáng tỏ đặc trưng vật lý hạt tìm thấy, xác định rõ có phải hạt Higgs boson đích thực hay không Higgs boson loại Sau phân tích lượng khổng lồ số liệu thí nghiệm thu được, nhiều gấp 2,5 lần số liệu để có kết thông báo ban đầu vào tháng năm 2012, nhà nghiên cứu CERN khẳng định hạt Higgs KẾT LUẬN Giả thuyết hạt Higgs Peter Higgs đưa vào năm 1964 Ông cho nguồn gốc khối lượng vật chất hạt Higgs Hạt Higgs tạo trường gọi trường Higgs.Trường truyền khối lượng cho hạt hạt tương tác với Tùy vào mức độ tương tác mà hạt có khối lượng khác Tương tác mạnh, khối lượng lớn Gần 50 năm sau Peter Higgs đưa giả thuyết tồn hạt Higgs thực nghiệm chứng minh tồn nhờ vào máy gia tốc LHC Các nhà khoa học CERN tạo máy có giá 10 tỷ USD với nhiệm vụ tìm dấu vết Higgs Với máy gia tốc có quỹ đạo cực lớn này, proton gia tốc lên vận tốc cực lớn gần vận tốc ánh sáng, chuyển động quỹ đạo tròn nhờ định hướng hệ thống nam châm với tần số lớn Sau đó, chúng va chạm vào Các nhà khoa học phân tích kết vụ va chạm tìm hạt Higgs Sự tồn hạt Higgs hoàn thiện lý thuyết mô hình chuẩn Nhờ có trường Higgs, hạt liên kết với tạo nên đất, nước, không khí tạo nên sống hành tinh Hạt Higgs tồn giúp mở hướng nghiên cứu cho ngành Vật lý hạt nói chung ngành khoa học khác nói riêng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.smithsonianmag.com/science-nature/How-the-Higgs-Boson-Was-Found-213876841.html [2] http://vi.wikipedia.org/wiki/H%E1%BA%A1t_Higgs [3] http://www.forbes.com/sites/anthonykosner/2012/07/04/higgs-boson-discovered-existence-of-mass-inuniverse-explained-by-god-particle/ ... Nguồn gốc tên gọi hạt Higgs Hạt Higgs gọi với tên khác hạt Chúa hay hạt Chúa trời” Hạt Higgs hạt Chúa trời ban cho tạo nên vật chất giới niềm tin tín hữu Ki-tô giáo: “ Thiên Chúa đấng tạo thành... nay, biết vũ trụ tạo 12 hạt trường vật chất khác Trong số 12 hạt này, có hạt quark hạt lepton Đầu tiên, phát nguyên tử, proton, neutron electron, hạt quark, lepton Các hạt có khối lượng, chúng... lý hạt Mô hình chuẩn lý thuyết giải thích tất tượng vũ trụ Tuy nhiên, mô hình chuẩn không giải thích hạt số hạt photon lại khối lượng khối lượng hạt không giống Vậy khối lượng hạt có tác nhân Hạt