Năm 1964, nhà vật lý (R Brout, F Englert; P Higgs; G Guralnik, C Hagen, T Kibble) độc lập với đề xuất chế mang khối lượng cho vạn vật Sau gọi chế Higgs Cơ chế tảng Mơ Hình Chuẩn, lý thuyết diễn tả quán xác ba bốn lực biết tự nhiên: điện từ, lực tương tác mạnh lực tương tác yếu hạt nhân nguyên tử Cùng với lực hấp dẫn (mô tả thuyết Tương đối rộng) chúng hợp thành bốn lực chi phối cách vận hành cấu trúc vạn vật Để chứng tỏ chế Higgs không ý tưởng lý thuyết mà kiểm chứng thực nghiệm, riêng P Higgs đề xuất phải tồn hạt vô hướng (spin 0) Hạt S.Weinberg gọi boson Higgs mà tin tưởng Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Âu châu (CERN) tìm thấy ngày 04/07/2012 Hiện tượng lịch sử nhà vật lý hồi hộp đón chờ từ năm 1984 CERN định xây dựng máy gia tốc khổng lồ LHC có lượng cao giới để tìm hạt Higgs Nó mở đầu trang vật lý lần người khám phá hạt lạ - lực lạ, sinh khối lượng cho vật chất, lực coi lực thứ năm Tự nhiên? Nó gợi cách tiếp cận khối lượng vật chất, khác với quan điểm cố hữu coi khối lượng (hay lượng) cho trước Tự nhiên mà không hiểu nguồn gốc sâu xa Có thể khối lượng vật chất tạo tương tác chúng với trường Higgs tràn đầy chân không vũ trụ từ thủa nguyên thủy Big Bang Ban đầu tất khơng có khối lượng, tương tác với trường Higgs mà vật chất trở nên có khối lượng Khối lượng hạt nặng hay nhẹ tùy theo cường độ tương tác lớn hay nhỏ chúng với hạt Higgs Càng tương tác mạnh với hạt Higgs, vật chất có khối lượng lớn Theo nguyên lý bất định Heisenberg, hạt vi mô có khối lượng m �0 tác động khoảng cách R �0 hữu hạn, m R bị ràng buộc nguyên lý bất định Heisenberg: R.m ~ (ở sử dụng hệ tọa độ tự nhiên, đó, h c ) Photon khơng khối lượng nên truyền vô hạn, m � R � Nguyên nhân thúc đẩy nhà vật lý sáng tạo chế Higgs? Ban đầu tìm hiểu hạt ánh sáng (photon γ) khơng khối lượng lại trở thành có khối lượng di chuyển vật liệu siêu dẫn Nguyên lý Đối xứng Chuẩn – tảng chi phối toàn diện bốn định luật biết, buộc photon phải có khối lượng Điều hồn tồn phù hợp với nguyên lý bất định Heisenberg theo khối lượng vật tỷ lệ nghịch với tầm truyền Vì đối xứng chuẩn bị phá vỡ cách tự phát tượng siêu dẫn khiến cho photon mang khối lượng Vì có khối lượng nên di chuyển khoảng cách ngắn định, khác với tính tự sóng điện từ truyền vơ hạn Đối xứng chuẩn phá vỡ tự phát đóng vai trò chủ yếu lực thứ năm mà khám phá hạt Higgs bước ngoặt lịch sử Vài nét Đối xứng Trong tiến trình khám phá định luật, có vật lý, nhiều nhà khoa học lấy nguồn cảm hứng đẹp cân đối hài hoà thiên nhiên để quan sát, tìm tòi, suy luận, sáng tạo Cái đẹp chủ quan nghệ thuật, văn chương, hội họa, âm nhạc, khoa học khách quan, định lượng mang tên gọi đối xứng, với dụng cụ toán học lý thuyết nhóm - nhóm đối xứng để phân tích, xếp đặt thứ tự trạng thái hệ thống, tiên đoán hệ vật lý Nguyên lý đối xứng đóng vai trò quan trọng khám phá quy luật vận hành cấu trúc tự nhiên, đặc biệt vật lý hạt Đối xứng định nghĩa theo nhà toán lý học Hermann Weyl (1885-1955) sau: định luật khoa học mang tính đối xứng biểu khơng thay đổi ta tác động lên phép biến chuyển Hình cầu minh hoạ rõ rệt vật thể đối xứng: phép quay khơng gian ba chiều với góc chung quanh tâm hình cầu khơng làm thay đổi hình dạng Nói cách khác, đường kính hình cầu bất biến phép quay xung quanh tâm Năm 1918, Emmy Noether đề xuất định lý, theo tính đối xứng chi phối hệ thống vật lý phải có định luật bảo tồn kèm theo, phải có đại lượng bất biến tương ứng Ví dụ, định luật bảo tồn lượng hệ tính đối xứng dịch chuyển thời gian (Tính đồng thời gian: thí nghiệm thực hôm nay, tháng trước hay tuần sau, điều kiện, giống hệt nhau) Tính đối xứng chuyển đổi tịnh tiến không gian (thí nghiệm thực điều kiện Hà Nội, Sài Gòn hay Ngêh An,…đều nhau) cho ta định luật bảo toàn xung lượng Hai định luật bảo tồn này, theo thứ tự, diễn tả tính đồng thời gian khơng gian Ngồi ra, có đối xứng phép quay xung quanh trục, đưa đến định luật bảo tồn mơ men xung lượng Định luật diễn tả tính đẳng hướng không gian (bất kỳ chiều hướng tương đương nhau) Đồng đẳng hướng hai đối xứng không gian thời gian Mỗi định luật vật lý thường tuân theo phép đối xứng Ví dụ, định luật điện từ, gói gọn bốn phương trình Maxwell, tuân theo phép đối xứng chuẩn mà hệ bảo tồn điện tích Điện tích khơng hay sinh ra, bất biến phép biến chuyển chuẩn Danh từ chuẩn, H Weyl đưa ra, hàm ý khơng có tiêu chuẩn, mẫu thước tuyệt đối cách tính tốn đo lường giá trị nội đại lượng khoa học Mét hay cm, đồng hay dollar ,…đều tương đương, quy ước người Đối xứng chuẩn đóng vai trò quan trọng tiến trình khám phá vật lý, khởi đầu điện từ sau lan rộng sang nhiều ngành khoa học vật liệu, vật lý chất đông đặc ngưng tụ, vật lý hạt, vũ trụ thiên văn kèm theo ứng dụng kỳ diệu công nghệ liên đới đến ngành Vậy đối xứng chuẩn ? Ai làm quen với học lượng tử biết bình phương độ lớn hàm số sóng electron |Ψ(x)| cho ta xác suất trạng thái Ta thấy phép biến chuyển chuẩn Ψ(x) → Ψ(x)eiα(x) với hàm thực α(x) không làm thay đổi |Ψ(x)| Trong hàm Ψ(x) α(x), đối số x định vector chiều xμ khơng-thời gian Phương trình Maxwell photon mô tả vector chiều Aμ(x) – không thay đổi phép biến chuyển chuẩn Nếu thêm vào hay bớt đạo hàm hàm α(x) khơng làm thay đổi phương trình Maxwell Chính mà đối xứng chuẩn chi phối toàn diện tương tác điện từ electron với photon Theo thuyết tương đối rộng, người quan sát họ chuyển động bình đẳng nhau, người di chuyển với gia tốc nói họ đứng n họ thay lực mà họ bị áp đặt lên lực hấp dẫn mà họ bị đặt vào Sự tương đương gia tốc trọng lực minh họa qua hình ảnh quen thuộc phi hành gia lơ lửng đứng yên hỏa tiễn bay với gia tốc lớn Nó phản ánh ý tưởng mà Einstein coi mãn nguyện đời ông: “một người rớt từ cao xuống khơng cảm thấy sức nặng mình” Theo nghĩa đó, lực hấp dẫn tuân thủ đối xứng chuẩn, bảo đảm hệ quy chiếu tương đương với Đối xứng chuẩn khẳng định tính bất biến định luật điện từ phép chuyển dời điện tích từ khơng-thời điểm đến không-thời điểm Cũng thế, lực mạnh hạt nhân nguyên tử hai hạt proton neutron hồn tồn bình đẳng nhau, định luật tương tác mạnh khơng thay đổi hốn chuyển proton ↔ neutron không-thời điểm Và điểm cốt lõi: Sự đối xứng bình đẳng hệ quy chiếu đòi hỏi phải có luật hấp dẫn, xác định luật hấp dẫn dạng tốn học qua phương trình Einstein thuyết tương đối rộng Cũng vậy, lực mạnh hạt nhân nguyên tử không phụ thuộc vào hốn chuyển proton ↔ neutron Tính đối xứng proton ↔ neutron đòi hỏi tương tác mạnh phải diễn tả dạng phương trình cụ thể C N.Yang đồng nghiệp trẻ R Mills bàn luận bất biến lực mạnh hoán chuyển proton ↔ neutron (nhóm đối xứng SU(2) tốn học) tìm phương trình tương tác đáp ứng đối xứng chuẩn Cơng trình phong phú mang tên lý thuyết chuẩn Yang-Mills Sắc động lực học lượng tử (Quantum Chromodynamics, QCD) định luật đáp ứng phép đối xứng sắc tích (color charge) quark, nghĩa dịch chuyển không-thời gian sắc tích khơng làm thay đổi tương tác quark Một hậu độc đáo lý thuyết chuẩn Yang-Mills nói chung (và QCD nói riêng), boson chuẩn phải trực tiếp tác động chúng với nhau, khác hẳn với photon (boson chuẩn điện từ) khơng có tương tác trực tiếp Chính tác động trực tiếp với gluon (boson chuẩn QCD) gốc nguồn tính chất "tự tiệm tiến" theo lực mạnh giảm quark xích lại gần tăng lên chúng bị tách xa Càng đẩy chúng xa để tách rời chúng lực gắn kết chúng lại mạnh lên để kéo giữ chúng lại, điều trái ngược với lực Coulomb điện từ bị giảm theo bình phương khoảng cách hai điện tích Quark mãi bị cầm tù, chúng khơng khỏi ngồi hadron để lộ mặt, tính chất "tự tiệm tiến” vinh tặng D J Gross, H D Politzer F Wilczek giải Nobel 2004 Đặc điểm cần nhấn mạnh đối xứng chuẩn đòi hỏi boson chuẩn có spin (gauge boson) – làm trung gian sứ giả cho fermion (như quark lepton) tương tác với – phải khối lượng Photon hay gluon thí dụ boson chuẩn khơng có khối lượng ... nhóm đối xứng để phân tích, xếp đặt thứ tự trạng thái hệ thống, tiên đoán hệ vật lý Nguyên lý đối xứng đóng vai trò quan trọng khám phá quy luật vận hành cấu trúc tự nhiên, đặc biệt vật lý hạt Đối. .. hay dollar ,…đều tương đương, quy ước người Đối xứng chuẩn đóng vai trò quan trọng tiến trình khám phá vật lý, khởi đầu điện từ sau lan rộng sang nhiều ngành khoa học vật liệu, vật lý chất đông... cách khác, đường kính hình cầu bất biến phép quay xung quanh tâm Năm 1918, Emmy Noether đề xuất định lý, theo tính đối xứng chi phối hệ thống vật lý phải có định luật bảo toàn kèm theo, phải có