Hạt Higgs Và Mô Hình Chuẩn

Hạt Higgs (tiếng Việt đọc là: Hích) hay boson Higgs (Bô dôn Hích) 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 thường được gọi là “hạt của Chúa” (God particle) trong truyền thông đại chúng bên ngoài cộng đồng khoa học. Tên gọi này xuất phát từ nhan đề cuốn sách năm 1993 về boson Higgs và vật lý hạt The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? của Leon Lederman. Ông đã muốn dùng tên gọi là Goddamn particle (hạt bị Chúa nguyền rủa, hạt mắc dịch) vì tầm quan trọng và sự khó khăn để xác định nó. Tuy nhiên biên tập viên cho rằng cách gọi này quá gây tranh cãi nên đã thuyết phục ông đổi tên.

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 “5 sigma”(5σ) 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 hình chuẩn của vật lý hạt là một thuyết bàn về các tương tác hạt nhân mạnh, yếu, và điện từ cũng như xác định tất cả những hạt hạ nguyên tử đã biết. Được phát triển vào những năm đầu của thập niên 1970, mô hình chuẩn là một phần của lý thuyết trường lượng tử, một 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 fermion 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, fermion 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.

Có 12 dạng fermion khác nhau trong mô hình chuẩn. Cùng với các hạt proton, neutron và electron, những fermion cấu thành nền phần lớn các vật chất. Mô hình chuẩn xác định mỗi electron là hạt cơ bản; proton và neutron là hạt tổ hợp, được tạo bởi các hạt nhỏ hơn có tên gọi là quark.