Một lý thuyết mới để giải thích khối lượng Higgs

Một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lý có thể được giải quyết bằng trường axion giống nệm lò xo lan tỏa không gian và thời gian.




Ba nhà vật lý đã cộng tác tại vùng vịnh San Francisco trong năm qua đã nghĩ ra một giải pháp mới cho bí ẩn đã chiếm lĩnh lĩnh vực của họ trong hơn 30 năm. Câu đố sâu sắc này đã thúc đẩy các thí nghiệm tại các các máy va chạm hạt và đưa ra giả thuyết đa vũ trụ gây tranh cãi, dẫn đến câu hỏi mà một học sinh lớp bốn hỏi: Làm thế nào một nam châm có thể nhấc một kẹp giấy chống lại lực hấp dẫn của toàn bộ hành tinh?

Mặc dù bị ảnh hưởng bởi sự chuyển động của các ngôi sao và các thiên hà, lực hấp dẫn yếu gấp hàng trăm triệu nghìn tỉ lần so với lực từ và các lực lượng vi mô khác của thiên nhiên. Sự khác biệt này xuất hiện trong các phương trình vật lý như là sự khác nhau vô lý giữa khối lượng của hạt Higgs, một hạt được phát hiện vào năm 2012 để kiểm soát khối lượng và lực liên kết với các hạt đã biết khác, và khoảng khối lượng mong đợi trạng thái hấp dẫn của vật chất chưa được khám phá.

Máy va chạm hadron lớn (LHC) của Châu Âu ủng hộ bất kỳ lý thuyết nào được đề xuất trước đây, tuy nhiên ta lại không có bằng chứng từ LHC để giải thích sự phân cấp khối lượng (mass hierarchy) vô lý này - bao gồm cả “siêu đối xứng”. Càng ngày, họ lo lắng rằng vũ trụ của chúng ta có thể chỉ là một hoán vị ngẫu nhiên, kỳ lạ giữa các vũ trụ khả dĩ – kết thúc việc tìm kiếm một lý thuyết thống nhất về tự nhiên.

Trong tháng này, LHC đã triển khai hoạt động thứ hai của mình được mong đợi ở tại năng lượng gần như gấp đôi năng lượng hoạt động trước đó của nó, tiếp tục tìm ra các hạt hoặc hiện tượng mới có thể giải quyết vấn đề phân cấp. Nhưng khả năng rất thực tế là không có hạt mới nào nằm quanh góc đã khiến các nhà vật lý lý thuyết phải đối mặt với "câu chuyện ác mộng" của họ. Nó cũng khiến họ suy nghĩ.

Gian Giudice, một nhà vật lý hạt lý thuyết tại phòng thí nghiệm CERN gần Geneva, nơi có LHC cho biết: “Đó là trong thời điểm khủng hoảng mà các ý tưởng mới phát triển”.

Đề xuất mới đưa một cách có thể phát triển tiếp. David Kaplan, 46 tuổi, một nhà vật lý hạt lý thuyết từ Đại học Johns Hopkins ở Baltimore, Md., Người đã phát triển mô hình trong một cuộc nghỉ phép tại West Coast với Peter Graham, 35 tuổi, Đại học Stanford và Surjeet Rajendran, 32 tuổi, của Đại học California, Berkeley đã đề xuất hạt “siêu kích thích” (super excited).

Nghiệm của họ lấy vết (trace) sự phân cấp giữa lực hấp dẫn và các lực cơ bản khác quay lại thời bùng nổ sinh ra vũ trụ, khi mô hình của họ đề xuất, hai biến được phát triển song song đột nhiên bế tắc. Vào lúc đó, một hạt giả thuyết (hypothetical particle) gọi là “axion” đã khóa boson Higgs vào khối lượng hiện tại của nó, thấp hơn nhiều so với thang đo của lực hấp dẫn. Các axion đã xuất hiện trong các phương trình lý thuyết từ năm 1977 và được cho là có khả năng tồn tại. Tuy nhiên, không ai, cho đến bây giờ, nhận thấy rằng axion có thể là những gì bộ ba tác giả gọi là "hạt relaxion", giải quyết vấn đề phân cấp bằng cách "relax" giá trị của khối lượng Higgs.

Raman Sundrum, một nhà vật lý hạt lý thuyết tại Đại học Maryland ở College Park, cho biết “Đó là một ý tưởng rất thông minh. Có thể một số phiên bản đó là cách mà thế giới hoạt động.”, ông không tham gia vào việc phát triển nó.

Trong những tuần kể từ khi bài báo của bộ ba xuất hiện trực tuyến, nó đã mở ra “một sân chơi mới” với các nhà nghiên cứu với mong muốn sửa đổi điểm yếu của nó và lấy tiền đề cơ bản cho các hướng khác nhau, Nathaniel Craig, nhà vật lí lý thuyết tại Đại học California, Santa cho biết. Barbara.

"Điều này có vẻ như là một khả năng khá đơn giản. Chúng tôi không đứng trên đầu để làm cái gì đó điên rồ ở đây.", Rajendran nói.

Tuy nhiên, như một số chuyên gia đã lưu ý, trong hình thức hiện tại của nó, ý tưởng có những thiếu sót cần được xem xét cẩn thận. Và ngay cả khi nó sống sót, có thể mất hơn một thập kỷ để kiểm tra thực nghiệm. Trong thời gian này, các chuyên gia cho biết, hạt relaxion đang làm rung chuyển các quan điểm đã tồn tại lâu dài và khuyến khích một số nhà vật lí nhìn thấy vấn đề phân cấp trong một tia sáng mới. Michael Dine, một nhà vật lý tại Đại học California, Santa Cruz, và một cựu chiến binh về vấn đề phân cấp, nói rằng bài học là “không được từ bỏ và hãy giả định chúng ta sẽ không thể hình dung ra được.”

Sự cân bằng khác thường

Peter Higgs và François Englert đã giành được giải Nobel vật lí năm 2013 với tất cả những gì xung quanh khám phá năm 2012 về boson Higgs, đã hoàn tất “Mô hình chuẩn” của vật lý hạt, điều này không có gì ngạc nhiên; sự tồn tại của hạt và khối lượng đo được của 125 giga-electron volts (GeV) đã kiểm chứng gián tiếp khi mà nhiều năm liền không được tìm thấy tại LHC đã khiến các chuyên gia bối rối khi đó. Không gì có thể chỉ ra sự hòa hợp khối lượng Higgs trong thang đo khối lượng liên quan đến trọng lực, khi đó thử nghiệm phải ngoài tầm 10.000.000.000.000.000.000 GeV.

Thang đo khối lượng – năng lượng liên hệ với trọng lực (phải) với độ lớn đến 17 bậc vượt quá thang đo của các hạt đã biết (trái), trong đó 1 GeV = 1.000 MeV. Xu hướng của khối lượng hạt để cân bằng trong tính toán làm cho phân cấp khó hiểu.

“Vấn đề là trong cơ học lượng tử, mọi thứ ảnh hưởng đến mọi thứ khác,” Giudice giải thích. Các trạng thái hấp dẫn siêu nặng sẽ trộn lẫn lượng tử cơ học với boson Higgs, đóng góp các yếu tố lớn cho giá trị khối lượng của nó. Tuy nhiên, bằng cách nào đó, boson Higgs kết thúc rất nhẹ. Nó giống như tất cả các yếu tố khổng lồ ảnh hưởng đến khối lượng của nó - một số tích cực, một số khác thì tiêu cực, nhưng tất cả hàng chục chữ số dài - đã hủy bỏ một cách kỳ diệu, để lại một giá trị cực kỳ nhỏ bé đằng sau. Việc loại bỏ các yếu tố này có vẻ không đúng đắn có vẻ “đáng ngờ”, Giudice nói. "Bạn nghĩ rằng tốt nhưng phải có cái gì khác đằng sau nó."

Các chuyên gia thường so sánh khối lượng Higgs được tinh chỉnh với bút chì đứng trên đầu bút, được đẩy theo cách này và bởi các lực mạnh như dòng không khí và rung động bàn bằng cách nào đó đã đạt được sự cân bằng hoàn hảo. “Nó không phải là trạng thái bất khả xâm phạm” Savas Dimopoulos ở Stanford cho biết đây là một trạng thái có khả năng rất nhỏ. Nếu bạn bắt gặp một cây bút chì như vậy, anh ta nói, “trước tiên bạn sẽ di chuyển bàn tay của mình lên cây bút chì để xem có sợi dây nào giữ nó từ trần nhà không. [Tiếp theo] bạn sẽ nhìn vào đầu bút để xem có dính kẹo cao su không. ”

Các nhà vật lí đã tìm cách giải thích tự nhiên về vấn đề phân cấp từ thập niên 1970, tin rằng việc tìm kiếm sẽ dẫn họ đến một lý thuyết hoàn chỉnh hơn về tự nhiên, thậm chí có thể biến các hạt đằng sau "vật chất tối" thành chất vô hình lan tỏa vào các thiên hà. "Sự tự nhiên đã thực sự là nét chủ đạo của nghiên cứu đó", Giudice nói.

Kể từ những năm 1980, đề xuất phổ biến nhất là siêu đối xứng. Nó giải quyết vấn đề phân cấp bằng cách đưa ra một cặp song sinh chưa được khám phá cho mỗi hạt cơ bản: đối với electron là “selectron”, với mỗi quark là “squark” và vân vân. Cặp song sinh đóng góp trái ngược với khối lượng của boson Higgs, khiến nó không bị ảnh hưởng bởi các tác động của các hạt hấp dẫn siêu nặng (vì chúng bị vô hiệu hóa bởi tác dụng của cặp song sinh của chúng).

Nhưng không có bằng chứng cho siêu đối xứng hoặc cho bất kỳ ý tưởng nào - chẳng hạn như “kỹ thuật màu sắc (technicolor)” và “các chiều phụ bị biến dạng” - được bật lên trong lần chạy đầu tiên của LHC từ năm 2010 đến năm 2013. Khi máy va chạm ngừng hoạt động để nâng cấp vào đầu năm 2013 mà không tìm thấy một "hạt đồng hành siêu đối xứng (sparticle)" hay bất kỳ dấu hiệu vật lý nào khác ngoài mô hình chuẩn, nhiều chuyên gia cảm thấy họ không còn tránh được việc suy ngẫm về một sự thay thế hoàn toàn khác. Điều gì sẽ xảy ra nếu khối lượng Higgs và các định luật là không tự nhiên? Các tính toán cho thấy nếu khối lượng của boson Higgs nặng hơn vài lần và mọi thứ khác vẫn giữ nguyên, proton không còn có thể cấu thành nguyên tử nữa, và sẽ không có cấu trúc phức tạp - không có sao hay sự sống. Vì vậy, nếu vũ trụ của chúng ta thực sự được tinh chỉnh như một bút chì cân bằng trên đầu của nó và địa chỉ vũ trụ của chúng ta từ một dải vũ trụ khổng lồ bên trong biển “đa vũ trụ” vĩnh cửu đơn giản chỉ vì cuộc sống đòi hỏi một ngẫu nhiên để tồn tại?

Giả thuyết đa vũ trụ này đã xuất hiện trong các cuộc thảo luận về vấn đề phân cấp từ cuối những năm 1990, được hầu hết các nhà vật lý xem là một triển vọng ảm đạm. “Tôi không biết phải làm gì với nó,” Craig nói. Các bong bóng khác của vũ trụ, nếu chúng tồn tại, nằm ngoài ranh giới của giao tiếp ánh sáng, các lý thuyết giới hạn mãi về đa vũ trụ đến những gì chúng ta có thể quan sát từ bên trong bong bóng cô đơn của chúng ta. Không có cách nào để biết được điểm dữ liệu của chúng ta nằm ở đâu trên phạm vi rộng lớn các khả năng trong một vũ trụ, nó trở nên khó khăn hoặc không thể xây dựng các lập luận đa vũ trụ tại sao vũ trụ của chúng ta là như vậy. “Tôi không biết tại thời điểm nào chúng tôi sẽ bị thuyết phục. Làm thế nào bạn sẽ giải quyết nó? Làm sao bạn biết?” Dine nói.

Hạt Higgs và relaxion

Kaplan đã đến thăm vùng Vịnh vào mùa hè năm ngoái để cộng tác với Graham và Rajendran, người mà ông biết vì cả ba đã làm việc ở nhiều thời điểm dưới sự chỉ đạo của Dimopoulos, một trong những nhà phát triển chủ chốt của siêu đối xứng. Trong năm qua, bộ ba chia thời gian của họ để gặp nhau như giữa Berkeley và Stanford - và các cửa hàng cà phê, điểm ăn trưa và tiệm kem khác nhau giáp với cả hai trường - trao đổi “một ít ý tưởng”, Graham nói và dần dần phát triển câu chuyện nguồn gốc mới cho các định luật vật lý hạt.

Lấy cảm hứng từ nỗ lực năm 1984 của Larry Abbott để giải quyết vấn đề tự nhiên khác nhau trong vật lý, họ tìm cách tính lại khối lượng Higgs như một tham số tiến hóa, một tham số có thể “thư giãn” một cách tự động đến giá trị nhỏ bé của nó trong sự ra đời của vũ trụ hơn là bắt đầu như một hằng số cố định, dường như không thể xảy ra. "Mặc dù phải mất sáu tháng thất bại và các mô hình thực sự ngu ngốc và những điều rất phức tạp, quái lại, chúng tôi đã kết thúc với hình ảnh rất đơn giản này," Kaplan nói.

Trong mô hình của họ, khối lượng Higgs phụ thuộc vào giá trị số của một trường giả định lan tỏa vào không gian và thời gian: trường axion. Để hình dung nó, "chúng tôi nghĩ về toàn bộ không gian như là tấm nệm 3-D", Dimopoulos nói. Giá trị tại mỗi điểm trong trường tương ứng với cách nén các lò xo nệm ở đó. Từ lâu người ta đã nhận ra rằng sự tồn tại của tấm đệm này - và sự rung động của nó ở dạng axion - có thể giải quyết hai bí ẩn sâu sắc: Thứ nhất, trường axion sẽ giải thích tại sao hầu hết các tương tác giữa proton và neutron chạy cả về phía trước và phía sau được biết đến là vấn đề "CP tương tác mạnh (strong CP)". Và thứ hai là các axion có thể tạo nên vật chất tối. Giải quyết vấn đề phân cấp sẽ là thành tích ấn tượng thứ ba.

Câu chuyện về mô hình mới bắt đầu khi vũ trụ là một chấm năng lượng được trút hết vào. Nệm axion cực kỳ nén, khiến cho khối lượng Higgs rất lớn. Khi vũ trụ mở rộng, các lò xo thư giãn, như thể năng lượng của chúng đang lan truyền qua các lò xo của không gian mới được tạo ra. Khi năng lượng tiêu tan, khối lượng Higgs cũng tiêu tan. Khi khối lượng giảm xuống giá trị hiện tại của nó, nó gây ra một biến liên quan để giảm về 0 trong quá khứ, chuyển đổi trên trường Higgs, một thực thể giống mật đường cho khối lượng cho các hạt di chuyển qua nó, chẳng hạn như electron và quark. Các quark nặng lần lượt tương tác với trường axion, một cách ẩn dụ nó tạo ra các chõm trên ngọn đồi mà năng lượng của nó đã lăn xuống. Trường axion đã bị kẹt. Và khối lượng Higgs cũng vậy.

Trong những gì Sundrum gọi là phá vỡ triệt để từ các mô hình trong quá khứ, mô hình mới cho thấy cách phân cấp khối lượng ngày nay có thể được tạo ra bằng sự ra đời của vũ trụ. "Thực tế là họ đã đưa phương trình này vào một cảm nhận thực tế rất đáng chú ý," ông nói.

Dimopoulos nhận xét về cực tiểu nổi bật của mô hình, sử dụng hầu hết các ý tưởng được thiết lập trước. “Những người như bản thân tôi đã đầu tư khá nhiều vào những cách tiếp cận khác nhau với vấn đề phân cấp và đã rất vui mừng khi thấy rằng bạn không cần phải nhìn xa lắm. Ở sân sau của Mô hình Chuẩn, giải pháp có ở đó. Cần những người trẻ rất thông minh để nhận ra điều đó.”, anh nói.

"Điều này nâng giá cổ phiếu của axion," ông nói thêm. Gần đây, Axion Dark Matter eXperiment tại Đại học Washington ở Seattle bắt đầu tìm kiếm những hoán vị hiếm hoi của các axion vật chất tối thành ánh sáng bên trong từ trường mạnh. Bây giờ, Dimopoulos nói, "Chúng ta nên tìm kiếm nó thậm chí nó còn khó kiếm hơn nữa."

Tuy nhiên, giống như nhiều chuyên gia, Nima Arkani-Hamed của Viện Cao học tại Princeton, N.J, đã lưu ý rằng đó là những ngày đầu cho đề xuất này. Trong khi "nó chắc chắn là thông minh", ông nói, thực hiện hiện tại của nó là xa vời. Ví dụ, để trường axion bị kẹt trên các chỏm núi do các quark tạo ra thay vì lăn qua chúng, lạm phát vũ trụ phải tiến triển chậm hơn nhiều so với hầu hết các nhà vũ trụ học đã giả định. "Bạn thêm 10 tỷ năm lạm phát. Bạn phải tự hỏi tại sao tất cả vũ trụ tự sắp xếp để làm cho điều này xảy ra.", ông nói.

Và ngay cả khi các axion được phát hiện, sẽ không chứng minh nó là "relaxion" - rằng nó làm giảm giá trị của khối lượng Higgs. Khi Kaplan ở lại vùng Vịnh Bay, anh, Graham và Rajendran đang bắt đầu phát triển ý tưởng về cách kiểm tra khía cạnh đó của mô hình của họ. Ví dụ có thể dao động một trường axion để xem liệu điều này có ảnh hưởng đến khối lượng của các hạt cơ bản gần đó theo khối lượng Higgs hay không. "Bạn sẽ thấy khối lượng electron lắc lư", Graham nói.

Những thử nghiệm này sẽ không xảy ra trong nhiều năm. (Mô hình này không dự đoán bất kỳ hiện tượng mới nào mà LHC sẽ phát hiện.) Và thực tế, một số chuyên gia cho biết, nó phải đánh cược trong thời gian dài. Vì vậy, nhiều đề xuất thông minh đã thất bại trong những năm qua mà nhiều nhà vật lý phản xạ hoài nghi. Tuy nhiên, mô hình mới hấp dẫn đang mang lại một liều thuốc lạc quan.

"Chúng tôi cho rằng chúng tôi đã nghĩ về tất cả mọi thứ và không có gì mới dưới ánh mặt trời. Điều này cho thấy con người khá thông minh và vẫn còn chỗ cho những đột phá mới." Sundrum nói.


Bài viết này đã được in lại trên Wired.com. 

Nguồn: https://www.quantamagazine.org/higgs-boson-mass-explained-in-new-theory-20150527

 

Người dịch: Nguyễn Lê Anh