Báo cáo Vật lý - Chủ đề: Thuyết mô hình chuẩn. Hạt Higgs - Nguyễn Trọng Tuấn

lý thuyết đã kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp. Ngày nay, hầu hết các thí nghiệm kiểm chứng về 3 lực miêu tả bởi mô hình chuẩn đều đúng như những dự đoán của thuyết này. Tuy nhiên, mô hình chuẩn vẫn chưa là một thuyết thống nhất các lực tự nhiên một cách hoàn toàn, do sự vắng mặt của lực hấp dẫn.
Mô hình chuẩn chứa cả hai loại hạt cơ bản là fermion và boson. Fermion là những hạt có spin bán nguyên và tuân thủ theo nguyên lý loại trừ của Wolfgang Pauli, nguyên lý cho rằng không có hai fermison nào có cùng trạng thái lượng tử với nhau. Các hạt boson có spin nguyên và không tuân theo nguyên lý Pauli. Khái quát hóa, fermison là những hạt vật chất còn boson là những hạt truyền tương tác.
Trong mô hình chuẩn, thuyết điện từ - yếu (bao gồm cả tương tác yếu lẫn lực điện từ) được kết hợp với thuyết sắc động lực học lượng tử. Tất cả những thuyết này đều là lý thuyết gauge, có nghĩa là chúng mô hình hóa các lực giữa các fermion bằng cách tạo ra các boson, có tác dụng như các thành phần trung gian. Hệ Lagrangian của mỗi tập hợp hạt boson trung gian không thay đổi dưới một dạng biến đối gọi là biến đổi gauge, vì thế các boson này còn được gọi là gauge boson. Các boson trong Mô hình chuẩn là:
Photon, hạt trung gian trong tương tác điện từ.
W và Z boson, hạt trung gian trong lực hạt nhân yếu.
8 gluon, hạt truyền trung gian trong lực hạt nhân mạnh. 6 trong số các gluon được đánh dấu bằng các cặp "màu" và "đối màu" (ví dụ như một hạt gluon mang màu "đỏ" và "đối đỏ"), 2 gluon còn lại là cặp màu được "pha trộn" phức tạp hơn.
Higgs boson, hạt gây ra bất đối xứng trong các nhóm gauge, và cũng là loại hạt tạo ra khối lượng quán tính.
Biến đổi gauge của các gauge boson có thể được miêu tả bởi một nhóm unita, gọi là nhóm gauge. Nhóm gauge của tương tác mạnh là SU(3), nhóm gauge của tương tác yếu là SU(2)xU(1). Vì vậy, mô hình chuẩn thường được gọi là SU(3)xSU(2)xU(1). Higg boson là boson duy nhất không thuộc gauge boson, các tính chất của boson này vẫn còn được bàn cãi. Graviton là boson được cho là hạt truyền tương tác của tương tác hấp dẫn, nhưng không được nhắc đến trong mô hình chuẩn.
Các thách thức trước mặt của mô hình chuẩn:
Mặc dầu mô hình chuẩn đã có một thành công rất lớn trong việc giải thích các kết quả của thực nghiệm, song nó vẫn chưa thể trở thành một thuyết hoàn chỉnh trong vật lý cơ bản. Đó là do 2 nguyên nhân:
Mô hình này còn chứa 19 tham số tự do, như khối lượng của các hạt. Các tham số này không thể tính toán một cách độc lập
Mô hình này không miêu tả tương tác hấp dẫn
Hiện tại, mô hình này đang gặp một thử thách không nhỏ, đó là nghi vấn về sự xuất hiện của các hằng số không bền, như c hay e, hay cả hằng số mạng tinh thể. Nếu như các định luật vật lý được chứng mình có vị trí phụ thuộc và có thể khác nhau ở các tọa độ đặc biệt trong không gian, điều đó có nghĩa là tất cả các thí nghiệm sử dụng để chứng minh cho mô hình chuẩn đều không hợp lệ.
III- Ý tưởng cho sự tồn tại của hạt Higgs:
Rất nhiều thí nghiệm thuộc lĩnh vực vật lý hạt trên thế giới đang tìm kiếm cơ chế tạo ra khối lượng. Các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm hạt nhân CERN ở Geneva cũng như tại Fermilab ở Illinois đang hy vọng tìm kiếm được cái họ gọi là "boson Higgs". Họ tin tưởng rằng nó là một hạt, cũng có thể là một tập hợp hạt mà chúng có thể tạo ra những hạt có khối lượng khác.
Ảnh hướng của nhóm (đám đông vây quanh) chính là cơ chế Higgs, được đưa ra bởi nhà vật lý người Anh Peter Higgs vào những năm 1960. Lý thuyết đưa ra giả thuyết cho rằng có một dạng lưới biểu trưng cho trường Higgs phủ đầy vũ trụ. Giống như trường điện từ, nó có ảnh hưởng tới những hạt di chuyển xuyên qua nó, nhưng nó cũng liên hệ với vật lý chất rắn. Các nhà khoa học biết rằng khi một electron đi qua một mạng tinh thể nguyên tử điện tích dương, khối lượng của electron có thể tăng lên gấp 40 lần. Điều này cũng có thể đúng với trường Higgs, khi một hạt di chuyển trong nó, nó sẽ bị bóp méo một chút - giống như đám đông vây quanh ngôi sao điện ảnh ở bữa tiệc - và truyền khối lượng cho hạt.
Câu hỏi về khối lượng là một vấn đề hóc búa, dẫn đến việc tồn tại hạt boson Higgs để phủ kín khoảng trống còn sót trong Mô Hình Chuẩn. Mô Hình Chuẩn miêu tả 3 trong 4 lực của tự nhiên: lực điện từ, lực tương tác mạnh, và lực tương tác yếu. Lực điện từ đã được biết một cách cặn kẽ trong nhiều thập kỷ qua. Hiện tại, các nhà vật lý dồn sự quan tâm sang lực hạt nhân mạnh, lực liên kết những phần của hạt nhân nguyên tử lại với nhau, và lực hạt nhân yếu, lực chi phối khả năng phóng xạ cũng như phản ứng tổng hợp hidro, một phản ứng quan trọng tạo ra năng lượng trong Mặt Trời.
Điện từ học miêu tả sự tương tác giữa các hạt và photon, hình thành những bó (packet) nhỏ của bức xạ điện từ. Tương tự, lực hạt nhân yếu miêu tả cách thức hai hạt boson W và boson Z tương tác với các electron, quark, neutron... Có một sự khác nhau rõ ràng giữa hai tương tác này: photon không có khối lượng, trong khi khối lượng của W và Z lại khá lớn (khoảng 100 lần so với khối lượng của proton). Trong thực tế chúng là một trong những hạt có khối lượng lớn nhất từng biết.
Khuynh hướng đầu tiên là giả sử rằng boson W và boson Z dễ dàng tồn tại và tương tác với những hạt cơ bản khác. Nhưng trên cơ sở toán học, khối lượng lớn của boson W và boson Z mang đến sự mâu thuẫn trong Mô Hình Chuẩn. Để giải thích cho điều này, các nhà vậy lý cho rằng phải có ít nhất một hạt khác - đó là boson Higgs.
Những lý thuyết đơn giản nhất dự đoán rằng có một boson Higgs, nhưng những lý thuyết khác lại cho rằng có nhiều hơn. Trong thực tế, quá trình tìm kiếm hạt Higg là một trong những sự việc hào hứng nhất trong nghiên cứu, bởi vì nó có thể dẫn đến những khám phá mới, hoàn chỉnh vật lý hạt. Một số nhà lý thuyết nói rằng nó có thể mang ánh sáng đến cho toàn bộ những dạng tương tác mạnh mới, và số khác tin tương rằng việc nghiên cứu sẽ khám phá ra một vật lý cơ bản đối xứng mang tên "siêu đối xứng".
Trước hết, các nhà khoa học muốn xác định phải chăng boson Higg thực sự tồn tại? Quá trình tìm kiếm đã bắt đầu từ hơn 10 năm trước, tại cả hai phòng nghiên cứu CERN tại Geneva và Fermilab ở Illinois. Để tìm kiếm các hạt này, các nhà nghiên cứu phải thực hiện va chạm những hạt khác với nhau ở vận tốc cực lớn. Nếu năng lượng từ sự va chạm này đủ lớn, nó có thể chuyển sang những hạt vật chất nhỏ hơn - có thể là boson Higgs. Những hạt này chỉ tồn tại ở một thời gian ngắn, sau đó phân rã thành các hạt khác. Vì thế, để chứng minh cho sự xuất hiện của hạt Higgs trong sự va chạm, các nhà nghiên cứu phải tìm được bằng chứng dựa vào các hạt nó sẽ phân rã ra.
IV- Boson Higgs:
Hạt Higgs hay boson Higgs là một hạt cơ bản trong mô hình chuẩn của ngành vật lý hạt và là một trong những loại hạt boson. Ngày 4 tháng 7 năm 2012, các nhà vật lý học tại Tổ chức Nghiên cứu Nguyên tử Châu Âu (CERN) đã nhận ra sự tồn tại của một hạt có những đặc tính "thích hợp với boson Higgs", xác suất rằng dấu hiệu không phải do nó chỉ tới 0,00003% (tức 5 độ lệch); tuy nhiên, các nhà khoa học hạt vẫn cần phải xác nhận rằng sự quan sát này do boson Higgs thay vì một boson bất ngờ chưa được khám phá.
Trong vài thập kỷ qua, ngành vật lý hạt đã xây dựng được một lý thuyết mô hình chuẩn, tạo nên khuôn khổ về sự hiểu biết các hạt và tương tác 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 có tên 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.
Hạt Higgs còn được gọi là hạt của Chúa hay hạt Chúa trời, vì tầm quan trọng của nó trong vụ nổ Big Bang cách đây 13,7 tỷ năm. Hạt Higgs nếu tồn tại sẽ chứng tỏ được sự tồn tại của vật chất tối (được cho là chiếm đến 3/4 vật chất trong vũ trụ). Thông tin này không chính xác. Hạt Higgs được gọi là "hạt của Chúa" nguyên nhân bắt nguồn từ tiếng Anh. Ban đầu hạt Higgs được gọi là "goddamn particle" tạm dịch là "hạt mắc dịch" vì nó quá khó tìm ra. Sau này được sửa lái đi một chút thành "god particle" vì lí do liên quan đến ngôn từ. Việc này dẫn đến việc nhiều người không hiểu dễ bị nhầm tưởng "god particle" có liên quan đến Chúa và do vậy liên quan đến lĩnh vực tôn giáo. Sự nhầm lẫn này càng đi xa hơn khi "god particle" được dịch một cách máy móc sang các ngôn ngữ khác, khiến cho nhiều người còn "chém gió" là do tầm quan trọng của nó nên gọi là hạt của Chúa.
Vì trường Higgs chịu trách nhiệm về khối lượng, việc các hạt cơ bản có khối lượng được nhiều nhà vật lý coi như một dấu hiệu cho thấy sự tồn tại của trường Higgs. Giả sử hạt Higgs tồn tại, chúng ta có thể suy luận được ra khối lượng của nó dựa trên tác động mà nó tạo ra đối với thuộc tính của các hạt và trường khác. Ngày 4 tháng 7 năm 2012, Fabiola Gianotti và Joseph Incandela, phát ngôn viên cho hai đội thí nghiệm độc lập ATLAS và CMS trình bày kết quả thực nghiệm của họ về boson Higgs tại LHC. Họ xác nhận mức tin cậy "năm sigma" của bằng chứng về một hạt có đặc tính "tương đồng với boson Higgs", và họ thừa nhận rằng công việc tiếp theo là cần thiết để kết luận rằng nó có mọi đặc tính mà lý thuyết đã tiên đoán về boson Higgs.
Mô phỏng sự kiện xảy ra trong LHC của Viện Vật lý hạt châu Âu, CERN. Mô phỏng thể hiện sự phân rã thành hạt Higgs sau va chạm của hai proton trong thiết bị CMS.
 Cấu trúc: 	Hạt cơ bản
 Tình trạng: 	Xác nhận tồn tại một hạt có "tính tương đồng" với hạt Higgs, và cần có những phân tích sâu hơn để công nhận hạt đó có mọi tính chất giống với tiên đoán lý thuyết của boson Higgs.
 Lý thuyết: 	F. Englert, R. Brout, P. Higgs, G. S. Guralnik, C. R. Hagen, và T. W. B. Kibble (1964)
 Thực nghiệm: 	ATLAS và CMS (2012)
 Ký hiệu: 	H0
 Số loại: 	1 trong Mô hình chuẩn
 Khối lượng: 	125,3±0,6 GeV/c2 (mức tin cậy 5σ)
 Thời gian sống: 	1 zéptô giây
 Điện tích: 	Chưa rõ
 Màu tích: 	Chưa rõ
 Spin: 	Spin nguyên, nhưng cần phân tích sâu hơn