Bóson Higgs và việc tìm kiếm vật lý mới: khoa học di chuyển đến đâu sau phát hiện vĩ đại

Ngày 4 tháng 7 sẽ mãi mãi là một ngày trong lịch sử vật lý khi thế giới biết về sự tồn tại của một hạt mà nhiều năm qua vẫn không thể bắt giữ. Bóson Higgs, được tìm thấy trong dữ liệu từ máy gia tốc mạnh nhất, đã trở thành chiến thắng của tư duy lý thuyết. Nó đã xác nhận một bức tranh tinh vi về vũ trụ micro mà các nhà khoa học đã xây dựng trong nhiều thập kỷ. Tuy nhiên, cùng với chiến thắng này cũng đến sự tỉnh táo: Mô hình chuẩn, được xác nhận với độ chính xác không thể tưởng tượng, chỉ mô tả một phần nhỏ của vũ trụ. Điều gì nằm ngoài phạm vi này vẫn là một bí ẩn. Ngày nay, khi tiếng vang của "hạt Chúa" đã lắng xuống, các nhà vật lý tiếp tục phân tích dữ liệu, hy vọng sẽ thấy những ánh sáng đầu tiên của điều có thể trở thành phát hiện vĩ đại tiếp theo.

Bóson Higgs là gì và tại sao nó không đặt dấu chấm hết

Bóson Higgs là một trường lượng tử chiếu rọi qua tất cả không gian. Cảm ơn trường này, các hạt cơ bản mới có được khối lượng. Không có nó, thế giới sẽ hoàn toàn khác: không có nguyên tử, phân tử, ngôi sao và hành tinh. Phát hiện hạt này đã trở thành điểm kết thúc trong bức tranh micro vũ trụ được gọi là Mô hình chuẩn. Nó giải thích các tương tác của tất cả các hạt已知, nhưng lại để lại nhiều câu hỏi không có câu trả lời. Tại sao vũ trụ lại có ít vật chất antivật chất? Tből darkness matter, mặc dù không thể nhìn thấy nhưng cảm nhận được qua lực hấp dẫn, được làm từ những gì? Tại sao neutrino lại có khối lượng, trái ngược với dự đoán? Những câu hỏi này không để yên các nhà nghiên cứu. Đó chính là lý do tại sao bóson Higgs được gọi không phải là kết thúc mà là bắt đầu của một giai đoạn mới trong vật lý. Các thuộc tính của nó có thể chỉ đường đến điều mà bị che giấu sau horizon của điều đã biết.

Các ứng cử viên tiếp theo: họat gia đình Higgs có thể lớn hơn

Một trong những ý tưởng tự nhiên nhất là bóson Higgs không phải là đại diện duy nhất của mình. Các mô hình lý thuyết cho rằng có thể có nhiều hạt Higgs, khác nhau về khối lượng và các thuộc tính khác. Họat gia đình Higgs mở rộng có thể giải thích một số trong các anômalie đã nêu. Ví dụ, nếu thêm một cặp trường scalar, điều này sẽ mở ra khả năng có sự tồn tại của một bóson bổ sung nặng hoặc nhẹ. Các nhà vật lý đã thấy những dấu vết yếu nhưng thú vị trong dữ liệu, có thể chỉ đường đến những hạt như vậy. Điều này có thể là các bóson với khối lượng khoảng 95 hoặc 150 gigaelectronvolt. Cũng có các lựa chọn với các bóson pseudoscalar, được dự đoán trong các mô hình liên quan đến axion. Nếu những hạt này thực sự tồn tại, việc phát hiện chúng sẽ trở thành bằng chứng mạnh mẽ rằng tự nhiên được cấu trúc phức tạp hơn những gì chúng ta tưởng tượng.

Darkness matter: bí ẩn lớn nhất của vật lý hiện đại

Ứng cử viên được mong đợi nhất cho vai trò "hạt tiếp theo" là hạt mà darkness matter được làm từ. Chúng ta biết rằng nó chiếm khoảng một phần tư khối lượng vũ trụ, nhưng chúng ta không biết nó được làm từ những gì. Chúng không tham gia vào các tương tác điện từ, vì vậy chúng không thể nhìn thấy trực tiếp. Tuy nhiên, ảnh hưởng hấp dẫn của chúng được thể hiện trong sự di chuyển của các galactic. Trong số các ứng cử viên giả thuyết, axion — các hạt nhẹ được đề xuất để giải quyết vấn đề khác của vật lý, và neutralino — được dự đoán bởi lý thuyết super symmetry — đặc biệt được chú ý. Super symmetry giả định rằng mỗi hạt已知 có một đối tác với các thuộc tính đã thay đổi. Và hạt nhẹ nhất trong số những hạt này có thể là ổn định và tương tác yếu, làm cho nó trở thành ứng cử viên lý tưởng cho darkness matter. Các thí nghiệm trên các colliders và các detector dưới đất đã bắt đầu tìm kiếm những hạt như vậy, nhưng vẫn không thành công. Tuy nhiên, các nhà vật lý không mất niềm tin: nếu darkness matter tồn tại, nó phải thể hiện mình qua các sự kiện hiếm hoi, và sớm hay muộn chúng ta sẽ phát hiện chúng.

Không chỉ cơ bản mà còn là cấu tạo: rừng hạt proton được mở rộng

Bên cạnh việc tìm kiếm các hạt cơ bản mới, các nhà khoa học tiếp tục phát hiện các đối tượng cấu tạo từ quark. Những hạt này giúp hiểu rõ hơn về tương tác mạnh — lực giữ các quark trong proton và neutron. Trong những năm gần đây, đã có những meson và baryon mới được phát hiện với các tổ hợp quark không寻常. Một số trong số đó là trạng thái kích thích của các hạt已知, khác là các cấu trúc ngoại lai như tetrakварk hoặc pentakварk. Mỗi phát hiện như vậy mở rộng hiểu biết của chúng ta về lượng tử chromodynamics và đưa chúng ta gần hơn với việc tạo ra một lý thuyết toàn diện hơn. Những hạt này, mặc dù không phải là "vật lý cơ bản mới", cho phép kiểm tra các lý thuyết trong các điều kiện cực đoan và tìm kiếm các sự偏离 từ dự đoán.

Các colliders mới: cách chúng ta sẽ tìm kiếm hạt tiếp theo

Để nhìn thấy bên ngoài Mô hình chuẩn, cần có công cụ mạnh mẽ hơn. Các colliders hiện đại đã đạt đến giới hạn năng lượng, và để có những phát hiện mới则需要 bước tiếp theo. Các nhà khoa học đã thiết kế các colliders vòng mới thế hệ, sẽ mạnh hơn nhiều so với các colliders hiện có. Chúng sẽ cho phép va chạm proton với năng lượng đủ để tạo ra các hạt mà hiện tại không thể tiếp cận. Ngoài ra, các colliders electron-positron cũng đang được phát triển, sẽ cho phép nghiên cứu thuộc tính của các hạt已知 với độ chính xác chưa từng có. Trong tương lai xa hơn, các dự án colliders muon cũng được xem xét — muon, là các hạt điểm, tạo ra các sự kiện "clean" hơn, có thể trở thành chìa khóa để phát hiện các hiện tượng mới.

Những gì mà phát hiện tiếp theo có thể mang lại cho chúng ta

Phát hiện bất kỳ hạt nào ngoài Mô hình chuẩn sẽ là một cuộc cách mạng. Nếu phát hiện thêm một bóson Higgs, điều này sẽ xác nhận các lý thuyết về cấu trúc phức tạp hơn của không gian trống. Nếu phát hiện hạt darkness matter, chúng ta cuối cùng sẽ hiểu được từ gì mà làm nên phần lớn vũ trụ. Nếu các đối tác super symmetry xuất hiện, điều này sẽ mở ra con đường để kết hợp tất cả các lực tự nhiên. Mỗi sự kiện như vậy sẽ thay đổi cách chúng ta hiểu vũ trụ. Mặc dù hiện tại chúng ta chỉ thấy những dấu vết yếu trong dữ liệu, cường độ của việc tìm kiếm không giảm. Các nhà khoa học phân tích mỗi sự kiện, mỗi sự bùng nổ năng lượng, hy vọng sẽ phát hiện ra một tín hiệu không phù hợp với các giải thích tiêu chuẩn.

Kết luận

Bóson Higgs đã là đỉnh của một ngọn núi, nhưng sau đó sẽ là một dãy núi không thể biết trước. Hiện nay, vật lý hạt cơ bản đang ở ngã rẽ. Có nhiều lý thuyết, nhưng vẫn chưa có bằng chứng thực nghiệm. Hạt mới tiếp theo có thể là điều đã được dự đoán hoặc điều hoàn toàn bất ngờ. Các nhà khoa học đang chuẩn bị cho mọi sự phát triển. Một điều có thể nói với sự tự tin: nếu chúng ta tiếp tục tìm kiếm, chúng ta chắc chắn sẽ tìm thấy. Lịch sử khoa học đã dạy rằng những phát hiện vĩ đại nhất thường xảy ra khi chúng ta không mong đợi nhiều nhất. Và có thể, hạt mới vĩ đại tiếp theo đã ẩn giấu trong dữ liệu, chờ khi ai đó nhận ra tín hiệu yếu nhưng chắc chắn của nó.

Permanent link to this publication: