Nói một cách dễ hiểu, hạt Higgs là hạt đắt nhất mọi thời đại. Ví dụ, nếu một ống chân không và một vài bộ óc thông minh đủ để khám phá ra electron, thì việc tìm kiếm boson Higgs đòi hỏi phải tạo ra năng lượng thực nghiệm, thứ hiếm khi được tìm thấy trên Trái đất. Máy Va chạm Hadron Lớn không cần giới thiệu, là một trong những thí nghiệm khoa học nổi tiếng và thành công nhất, nhưng hạt cấu hình của nó, như trước đây, vẫn còn là bí ẩn đối với hầu hết mọi người. Nó đã được gọi là hạt của Chúa, tuy nhiên, nhờ nỗ lực của hàng nghìn nhà khoa học, chúng ta không còn phải chấp nhận sự tồn tại của nó dựa trên đức tin.
Lần chưa biết cuối cùng
Boson Higgs là gì và tầm quan trọng của việc khám phá ra nó là gì? Tại sao nó đã trở thành chủ đề của rất nhiều cường điệu, tài trợ và thông tin sai lệch? Vì hai lý do. Đầu tiên, nó là hạt cuối cùng chưa được khám phá cần thiết để xác nhận Mô hình chuẩn của vật lý. Khám phá của cô ấy có nghĩa là cả một thế hệ xuất bản khoa học đã không vô ích. Thứ hai, boson này cung cấp cho các hạt khác khối lượng của chúng, điều này mang lại cho nó một ý nghĩa đặc biệt và một số "ma thuật". Chúng tôi có xu hướng nghĩ vềkhối lượng như một thuộc tính nội tại của sự vật, nhưng các nhà vật lý lại nghĩ khác. Nói một cách dễ hiểu, boson Higgs là một hạt không có khối lượng thì không tồn tại về nguyên tắc.
Thêm một lĩnh vực nữa
Lý do nằm ở cái gọi là trường Higgs. Nó đã được mô tả ngay cả trước khi có hạt Higgs, bởi vì các nhà vật lý đã tính toán nó cho nhu cầu của các lý thuyết và quan sát của riêng họ, vốn đòi hỏi sự hiện diện của một trường mới, hoạt động của nó sẽ mở rộng ra toàn bộ Vũ trụ. Việc củng cố các giả thuyết bằng cách phát minh ra các thành phần mới của vũ trụ là rất nguy hiểm. Trong quá khứ, chẳng hạn, điều này đã dẫn đến sự ra đời của lý thuyết aether. Nhưng càng thực hiện nhiều phép tính toán học, các nhà vật lý càng hiểu rằng trường Higgs phải tồn tại trong thực tế. Vấn đề duy nhất là thiếu phương tiện thực tế để quan sát anh ta.
Trong Mô hình Chuẩn của vật lý, các hạt cơ bản tăng khối lượng thông qua một cơ chế dựa trên sự tồn tại của trường Higgs xuyên qua tất cả không gian. Nó tạo ra boson Higgs, đòi hỏi nhiều năng lượng và đây là lý do chính tại sao các nhà khoa học cần máy gia tốc hạt hiện đại để tiến hành các thí nghiệm năng lượng cao.
Khối lượng đến từ đâu?
Độ mạnh của các tương tác hạt nhân yếu giảm nhanh khi tăng khoảng cách. Theo lý thuyết trường lượng tử, điều này có nghĩa là các hạt tham gia vào quá trình tạo ra nó - boson W và Z - phải có khối lượng, không giống như gluon và photon, không có khối lượng.
Vấn đề là các lý thuyết đo lường chỉ giải quyết các phần tử không khối lượng. Nếu boson đo có khối lượng, thì giả thuyết như vậy không thể được xác định một cách hợp lý. Cơ chế Higgs tránh được vấn đề này bằng cách đưa vào một trường mới gọi là trường Higgs. Ở năng lượng cao, boson đo không có khối lượng, và giả thuyết hoạt động như mong đợi. Ở năng lượng thấp, trường gây ra sự phá vỡ đối xứng cho phép các phần tử có khối lượng.
Boson Higgs là gì?
Trường Higgs tạo ra các hạt gọi là boson Higgs. Khối lượng của chúng không được xác định theo lý thuyết, nhưng kết quả của thí nghiệm, người ta xác định được rằng nó bằng 125 GeV. Nói một cách dễ hiểu, boson Higgs đã xác nhận một cách dứt khoát về Mô hình Chuẩn với sự tồn tại của nó.
Cơ chế, lĩnh vực và boson mang tên nhà khoa học người Scotland Peter Higgs. Mặc dù anh ấy không phải là người đầu tiên đề xuất những khái niệm này, nhưng, như thường lệ trong vật lý, anh ấy đơn giản là người mà sau đó chúng được đặt tên.
Đối xứng bị hỏng
Trường Higgs được cho là nguyên nhân dẫn đến thực tế là các hạt đáng lẽ không có khối lượng đã làm. Đây là một môi trường phổ quát tạo ra các hạt không khối lượng với các khối lượng khác nhau. Sự vi phạm đối xứng như vậy được giải thích bằng sự tương tự với ánh sáng - tất cả các bước sóng chuyển động trong chân không với cùng tốc độ, trong khi trong lăng kính mỗi bước sóng có thể được phân biệt. Tất nhiên, đây là một phép loại suy không chính xác, vì ánh sáng trắng chứa tất cả các bước sóng, nhưng ví dụ cho thấy cáchsự tạo ra khối lượng bởi trường Higgs dường như là do sự phá vỡ đối xứng. Một lăng kính phá vỡ tính đối xứng về tốc độ của các bước sóng ánh sáng khác nhau bằng cách tách chúng ra và trường Higgs được cho là phá vỡ tính đối xứng về khối lượng của một số hạt không có khối lượng đối xứng.
Làm thế nào để giải thích boson Higgs bằng các thuật ngữ đơn giản? Chỉ gần đây, các nhà vật lý mới nhận ra rằng nếu trường Higgs thực sự tồn tại, hoạt động của nó sẽ đòi hỏi sự hiện diện của một chất mang thích hợp với các đặc tính mà nó có thể quan sát được. Người ta cho rằng hạt này thuộc về boson. Nói một cách dễ hiểu, boson Higgs là cái gọi là lực mang, giống như các photon, là hạt mang điện từ trường của Vũ trụ. Theo một nghĩa nào đó, các photon là kích thích cục bộ của nó, cũng như boson Higgs là kích thích cục bộ đối với trường của nó. Trên thực tế, việc chứng minh sự tồn tại của một hạt với các đặc tính mà các nhà vật lý mong đợi tương đương với việc chứng minh trực tiếp sự tồn tại của một trường.
Thử nghiệm
Nhiều năm lập kế hoạch đã cho phép Máy va chạm Hadron Lớn (LHC) trở thành một minh chứng cho sự phản bác tiềm năng của lý thuyết boson Higgs. Một vòng dài 27 km gồm các nam châm điện siêu mạnh có thể tăng tốc các hạt mang điện đến những phần nhỏ đáng kể của tốc độ ánh sáng, gây ra các vụ va chạm đủ mạnh để tách chúng thành các thành phần của chúng, cũng như làm biến dạng không gian xung quanh điểm va chạm. Theo tính toán, ở một năng lượng va chạm ở mức đủ cao, có thể tích điện cho một boson để nó phân hủy, và điều này có thểsẽ xem. Năng lượng này lớn đến mức một số người thậm chí còn hoảng sợ và dự đoán về ngày tận thế, và những tưởng tượng của những người khác đã đi xa đến mức việc phát hiện ra boson Higgs được mô tả như một cơ hội để nhìn vào một chiều không gian thay thế.
Xác nhận cuối cùng
Những quan sát ban đầu dường như thực sự bác bỏ những dự đoán, và không thể tìm thấy dấu hiệu của hạt. Một số nhà nghiên cứu tham gia vào chiến dịch chi hàng tỷ đô la thậm chí còn xuất hiện trên truyền hình và nhẹ nhàng tuyên bố thực tế rằng việc bác bỏ một lý thuyết khoa học cũng quan trọng như xác nhận nó. Tuy nhiên, sau một thời gian, các phép đo bắt đầu tạo nên bức tranh lớn, và vào ngày 14 tháng 3 năm 2013, CERN chính thức công bố xác nhận sự tồn tại của hạt. Có bằng chứng cho thấy sự tồn tại của nhiều boson, nhưng ý tưởng này cần được nghiên cứu thêm.
Hai năm sau khi CERN công bố phát hiện ra hạt này, các nhà khoa học làm việc tại Máy va chạm Hadron Lớn đã có thể xác nhận điều đó. Một mặt, đây là một thắng lợi to lớn của khoa học, mặt khác, nhiều nhà khoa học đã phải thất vọng. Nếu ai đó đã hy vọng rằng boson Higgs sẽ là hạt dẫn đến những vùng kỳ lạ và tuyệt vời ngoài Mô hình Chuẩn - siêu đối xứng, vật chất tối, năng lượng tối - thì thật không may, điều này hóa ra không phải như vậy.
Một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Physics đã xác nhận sự phân rã thành các fermion. Mô hình Chuẩn dự đoán rằng, nói một cách dễ hiểu, bosonHiggs là hạt cung cấp cho các fermion khối lượng của chúng. Máy dò của máy va chạm CMS cuối cùng đã xác nhận sự phân rã của chúng thành các fermion - hạt quark và lepton tau.
Higgs boson nói một cách đơn giản: nó là gì?
Nghiên cứu này cuối cùng đã xác nhận rằng đây là boson Higgs được Dự đoán bởi Mô hình Chuẩn của vật lý hạt. Nó nằm trong vùng năng lượng khối lượng 125 GeV, không có spin, và có thể phân rã thành nhiều nguyên tố nhẹ hơn - các cặp photon, fermion, v.v. Nhờ đó, chúng ta có thể tự tin nói rằng boson Higgs, nói một cách đơn giản, là một hạt tạo khối lượng cho mọi thứ.
Thất vọng với hành vi mặc định của một phần tử mới mở. Nếu sự phân rã của nó thậm chí hơi khác một chút, thì nó sẽ liên quan đến các fermion theo cách khác, và những hướng nghiên cứu mới sẽ xuất hiện. Mặt khác, điều này có nghĩa là chúng ta đã không di chuyển một bước nào ra ngoài Mô hình Chuẩn, không tính đến lực hấp dẫn, năng lượng tối, vật chất tối và các hiện tượng kỳ lạ khác của thực tế.
Bây giờ người ta chỉ có thể đoán được điều gì đã gây ra chúng. Lý thuyết phổ biến nhất là siêu đối xứng, trong đó nói rằng mọi hạt trong Mô hình Chuẩn đều có một chất siêu nặng cực kỳ nặng (do đó chiếm 23% vũ trụ - vật chất tối). Nâng cấp máy va chạm, tăng gấp đôi năng lượng va chạm của nó lên 13 TeV, sẽ có khả năng phát hiện ra các siêu hạt này. Nếu không, siêu đối xứng sẽ phải chờ xây dựng một người kế nhiệm mạnh mẽ hơn cho LHC.
Triển vọng xa hơn
Vậy vật lý sẽ như thế nào sau boson Higgs? LHC gần đây đã tiếp tục công việc của mình với những cải tiến đáng kể và có thể nhìn thấy mọi thứ từ phản vật chất đến năng lượng tối. Người ta tin rằng vật chất tối tương tác với vật chất thông thường chỉ thông qua lực hấp dẫn và thông qua việc tạo ra khối lượng, và ý nghĩa của boson Higgs là chìa khóa để hiểu chính xác điều này xảy ra như thế nào. Hạn chế chính của Mô hình Chuẩn là nó không thể giải thích các tác động của lực hấp dẫn - một mô hình như vậy có thể được gọi là Lý thuyết Thống nhất Lớn - và một số người tin rằng hạt và trường Higgs có thể là cầu nối mà các nhà vật lý đang rất nỗ lực tìm kiếm.
Sự tồn tại của boson Higgs đã được xác nhận, nhưng sự hiểu biết đầy đủ về nó vẫn còn rất xa. Liệu các thí nghiệm trong tương lai có bác bỏ siêu đối xứng và ý tưởng về sự phân hủy của nó thành vật chất tối hay không? Hay họ sẽ xác nhận mọi chi tiết cuối cùng trong các dự đoán của Mô hình Chuẩn về các đặc tính của hạt Higgs và kết thúc lĩnh vực nghiên cứu này mãi mãi?
