Đi Tìm “Hạt Của Chúa” – Boson Higgs

Vào ngày 4 tháng 7 năm 2012, Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Âu châu (CERN) đã công bố rộng rãi trên các phương tiện thông tin đại chúng khám phá về một loại hạt cơ bản mới. CERN là trung tâm nghiên cứu sở hữu hệ thống máy gia tốc hạt có năng lượng và kích thước lớn nhất thế giới. Tầm quan trọng của khám phá này được thể hiện ở hai điểm: thứ nhất, hạt cơ bản mới này chính là liên kết chủ yếu còn thiếu trong bức tranh thế giới hạ nguyên tử (gọi là Mô hình Chuẩn) được vẽ từ 35 năm trước, vào những năm 1970; thứ hai, việc khám phá ra loại hạt này là phần thưởng xứng đáng cho ba mươi năm lao động vất vả và tận tụy của hàng ngàn nhà khoa học, nhà vật lí, kĩ sư và kĩ thuật viên.

Tìm kiếm boson Higgs - loại hạt đã được tìm kiếm từ lâu - là một cuộc phiêu lưu kì thú của khoa học đương đại. Vẻ đẹp và sự tao nhã của Mô hình Chuẩn, sự tinh vi và phức tạp đáng kinh ngạc của những công cụ làm nên khám phá khiến người ta phải ngưỡng mộ. Câu chuyện này là một ví dụ tuyệt vời cho thế hệ trẻ Việt Nam về sự quyết tâm, tinh thần sáng tạo, tinh thần hợp tác mà cộng đồng các nhà khoa học quốc tế đã cống hiến cho khoa học và tri thức. Đó cũng là một ví dụ về sự nghiêm túc tri thức và đạo đức, tất cả các phẩm chất cần thiết cho sự phát triển của khoa học.

Vật lí hạt là một trong những ngành tiên phong nhất của khoa học. Có thể kể ra một vài ngành tương tự như vật lí thiên văn, di truyền học và thần kinh học. Phương pháp nghiên cứu của chúng có thể khác nhau, ví dụ phương pháp của vật lí hạt và vật lí thiên văn đòi hỏi việc sử dụng các thiết bị rất lớn và tốn kém - gọi là “khoa học lớn”- nhưng chúng đều đòi hỏi ở các nhà khoa học những phẩm chất mà chúng ta vừa nêu ở trên. Thành công của họ chỉ ra con đường cho khoa học Việt Nam, nền khoa học đang phục hồi sau nhiều năm chiến tranh và khó khăn. Sự hồi sinh và tương lai của nó nằm trong tay thế hệ trẻ. Chúng tôi hi vọng những bài học rút ra từ câu chuyện về boson Higgs sẽ thúc đẩy tham vọng và nhiệt tình của các bạn trẻ với khoa học và tri thức.

Để kể lại câu chuyện, chúng tôi nghĩ rằng cách tốt nhất là chọn một số bài báo được viết bởi chính những nhân vật trực tiếp tham gia vào cuộc phiêu lưu kì thú này, và kết nối chúng với nhau bằng vài lời giới thiệu ngắn gọn.

Chương đầu tiên trình bày về Mô hình Chuẩn được xây dựng trên những bất biến cơ bản - đối xứng nhóm và bất biến gauge - và đòi hỏi sự xuất hiện của một loại hạt mới để giải thích cho thực tế rằng nhiều hạt cơ bản có khối lượng. Tên của hạt mới này được đặt theo tên của nhà vật lí Peter Higgs, người đã có công đưa hạt này vào lí thuyết. Tuy nhiên, không phải chỉ có mình Peter Higgs khám phá. Lịch sử hình thành Mô hình Chuẩn, đặc biệt là cơ chế phát sinh khối lượng dựa trên cơ chế phá vỡ đối xứng tự phát, là một chương hấp dẫn của lịch sử khoa học hiện đại. Việc phát hiện ra hạt Higgs mặc dù đã gần như chắc chắn nhưng vẫn cần được chứng minh thêm, sẽ khép lại chương này của vật lí hạt. Tuy nhiên, trong vật lí vẫn còn nhiều câu hỏi mở, đặc biệt ở ranh giới giữa vật lí hạt và hấp dẫn, nên các nhà vật lí phải bận rộn trong một thời gian dài.

Chương thứ hai trình bày về CERN, nơi khám phá này được thực hiện. CERN, biểu tượng của thành công trong hợp tác quốc tế, thường được cho là nơi duy nhất có thể thực hiện được một khám phá như vậy. Điều này có thể hơi phóng đại một chút nhưng cũng cho thấy sự tôn trọng và ngưỡng mộ của cộng đồng các nhà vật lí hạt đối với CERN. Qua hồi ức của một vài người trong số họ, chúng ta sẽ thấy rõ điều đó.

Chương thứ ba tổng hợp lại các câu chuyện về Higgs, được viết bởi các phát ngôn viên đầu tiên của các thí nghiệm đã phát hiện ra nó, ATLAS và CMS. Đây là một tài liệu tổng hợp đáng chú ý, được dịch nguyên vẹn với sự cho phép của các tác giả.

- Nhóm chủ biên

Lời nhà xuất bản, Chu Hảo

Đôi lời mở đầu, GS Giải Fields Ngô Bảo Châu

Lời phi lộ, Nguyễn Xuân Xanh và Phạm Xuân Yêm

Chương 1. Mô hình chuẩn và Hạt Higgs

Mô hình Chuẩn của vật lí hạt cơ bản - Phạm Xuân Yêm

Nhóm tái chuẩn hoá: Một cuộc cách mạng về nhận thức - Đàm Thanh Sơn

Hạt Higgs và Chúng ta - Nguyễn Xuân Xanh

Vật lí: Những gì chúng ta biết và chưa biết - Steven Weinberg

Boson Higgs và lí thuyết lạm phát của vũ trụ - Nguyễn Tiến Bình

Tiếp sau Higgs là bài toán ED? - Cao Chi

Câu chuyện “hạt của Chúa“ đã kết thúc? - Phạm Việt Hưng

Richard Feynman và Vật lí đương đại - Nguyễn Đức Tường

Murray Gell-Mann - Nguyễn Xuân Xanh

Enrico Fermi - Nguyễn Xuân Xanh

Hideki Yukawa - Nguyễn Xuân Xanh                                                                                     

Chương 2. CERN - CUỘC PHIÊU LƯU Kì THÚ CỦA HỢP TÁC KHOA HỌC QUỐC TẾ

Máy gia tốc liên hợp - Pierre Darriulat

Mục đích cao cả - François de Rose

Một cuộc phiêu lưu kì diệu - Carlo Rubbia

Xây dựng những cầu nối - Robert Eisenstein

Các đối tác thực thụ và bình đẳng - Nicolas Koulberg

Mảnh đất màu mỡ - Robert Cailliau

Trung tâm Lí thuyết ở CERN - John Iliopoulos

Con tàu trong chai - Marzio Nessi

Pakistan và CERN - Hafeez Hoorani

CERN: một trải nghiệm độc nhất vô nhị - Egil Lillestøl

Chương 3. HÀNH TRÌNH TÌM KIẾM BOSON HIGGS

Hành trình tìm kiếm hạt boson Higgs: Thí nghiệm ATLAS và CMS tại Máy gia tốc đối chùm hadron - M. Della Negra (CMS), P. Jenni (ATLAS) và T.S. Virdee (CMS)