by 
Thí nghiệm neutrino đường cơ sở dài T2K của Nhật Bản. Máy dò SuperKamionkande (ảnh chụp khi bắt đầu tích nước, xem con thuyền nhỏ để hình dung kích thước) có thể ghi nhận được neutrino tạo ra từ Tsukuba cách 300 km bởi tổ hợp máy gia tốc của J-park. Nó bao gồm một động ngầm hình trụ khoảng 40 m cả về chiều cao và đường kính, chứa 50.000 tấn nước siêu tinh khiết và được bao phủ bởi 13.000 ống nhân quang có thể ghi nhận ánh sáng từ bức xạ Cherenkov được tạo ra bởi các neutrino tương tác.
Gần như thiếu vắng trong chương trình đào tạo tại Việt Nam, các lĩnh vực vật lý hạt cơ bản, vật lý thiên văn và vũ trụ học cùng chia sẻ vị trí tiên phong trong [phát triển của] vật lý hiện đại. Vào nửa cuối thế kỷ trước, trong thời gian chưa tới ba thập niên, vật lý hạt cơ bản đã vẽ được một bức tranh cực kỳ thành công về thế giới vi mô (thế giới vật chất nhìn ở khoảng cách ngắn), đó là mô hình chuẩn (standard model) của các hạt cơ bản. Vẻ đẹp của nó nằm ở sự đơn giản của nền tảng nó được xây dựng: một dạng hạt vật chất, gọi là fermion, thông qua nguyên tắc đối xứng đơn giản được liên kết với nhau và quy về hai loại hạt khác nhau, đó là loại hạt “lepton” với hiện thực nổi bật nhất là electron, và loại hạt “quark” mà từ đó proton và neutron được cấu tạo nên. Mỗi loại hạt này tồn tại ở những dạng khác nhau nhưng liên kết dựa trên tính đối xứng giống như hai mặt của một đồng xu. Có những đối xứng đã được hiểu rất rõ như đối xứng giữa hạt và phản hạt hay các đối xứng gắn với tương tác mạnh, tương tác yếu và tương tác điện từ, nhưng có một đối xứng gọi là “đối xứng vị” (flavour symmetry) còn là bí ẩn: mỗi loại fermion (lepton hoặc quark) tồn tại ba phiên bản (vị - flavour) gần như nhau, trừ khối lượng rất khác nhau. Chứng kiến lần đầu sự lặp lại đó khi muon, một phiên bản “electron”, được phát hiện, Isidor Rabbi đã thốt lên một câu nổi tiếng “ai đã sắp đặt như vậy.
Thành phần thứ hai của mô hình chuẩn (MHC) là các boson gauge truyền tương tác giữa các hạt với nhau: tương tác mạnh (mà một trong những hệ quả của nó là) giữ proton và neutron với nhau trong hạt nhân được thực hiện bởi hạt truyền tương tác “gluon”; tương tác yếu với nguyên mẫu điển hình là phân rã beta được thực hiện với hạt truyền tương tác boson “yếu” (W± và Z); và tương tác điện-từ được thực hiện bởi trao đổi photon quen thuộc. Đặc biệt ấn tượng là các boson gauge không cần phải đưa vào trong lý thuyết “bằng tay” mà chúng xuất hiện một cách tự nhiên như là hệ quả trực tiếp từ đối xứng của fermion và một nguyên lý bất biến đơn giản vốn có của vật lý lượng tử gọi là bất biến gauge. Tất cả các fermion và boson gauge (của MHC) đều đã được phát hiện, nhưng trái với gluon và photon không có khối lượng, các boson “yếu” lại rất nặng, điều này làm phức tạp lý thuyết và cần phải có một boson khác gọi là boson Higgs được phát hiện tại CERN hơn 6 năm trước. Trong bốn thập niên qua các thí nghiệm khẳng định với mức độ chính xác càng ngày càng cao bức tranh MHC nhưng không hề có một mách nước nào về sự bí ẩn mà vật lý hạt cơ bản vẫn dành cho chúng ta: bên cạnh đối xứng vị huyền bí đã có những chỉ dấu cho thấy MHC chỉ là biểu hiện năng lượng thấp của một lý thuyết thống nhất tổng quát hơn có hiệu lực ở thang năng lượng cao hơn khoảng 15 bậc so với thang năng lượng của các thí nghiệm hiện nay đạt được. Sự chênh lệch thang năng lượng này (làm phát sinh một số vấn đề như thống nhất lớn và sự phân bậc) cũng có thể xảy ra tại vùng năng lượng thấp, ví dụ như khối lượng neutrino, một fermion trung hòa điện, có thể nhỏ hơn khối lượng của fermion tích điện nhẹ nhất từng biết, electron, cả triệu lần. Lo lắng rằng trả lời các thách đố của MHC có thể nằm ngoài tầm với của các thí nghiệm hiện nay đã có ý kiến nói về sự khủng hoảng của vật lý hạt, nhưng ý kiến chung tất nhiên vẫn lạc quan hơn với hy vọng sẽ sớm có những phát hiện sai lệch từ các dự đoán của MHC để mở ra cánh cửa tới cái gọi là “vật lý sau MHC” (“physics beyond the SM”).
Về vũ trụ học
Khi nhìn ở khoảng cách lớn, diện mạo (vật lý) bị chi phối bởi (tương tác) hấp dẫn bị bỏ qua trong bức tranh MHC. Ngược lại, vật lý lượng tử gắn liền với MHC có thể bị bỏ qua khi nghiên cứu hấp dẫn ở khoảng cách lớn. Một đặc điểm của (tương tác) hấp dẫn là nó được áp dụng theo cùng một cách với tất cả các hạt, cho thấy rằng tương tác này nên được mô tả như là biến dạng của không-thời gian hơn là tương tác theo nghĩa được sử dụng cho MHC và cùng với lý thuyết tương đối hẹp là cơ sở cho lý thuyết tương đối rộng. Cho tới nay chưa có sự sai lệch nào so với dự đoán của lý thuyết tương đối rộng được ghi nhận tường minh và sự phát hiện gần đây về sóng hấp dẫn, mà sự tồn tại của nó cần phải có trong mọi lý thuyết hấp dẫn hợp lý, đã mở đường cho các thử nghiệm chính xác hơn hiện có. Chưa hết, có hai lỗ hổng lớn chỉ ra rằng sự hiểu biết của chúng ta về lực hấp dẫn là không chính xác: một là sự thất bại hoàn toàn của mô hình Vũ trụ của chúng ta khi nó không phù hợp với các quan sát, hai là sự không tương thích giữa thuyết tương đối rộng và vật lý lượng tử ở cái gọi là “thang Planck” (Plank scale) tại đó cả hai được mong đợi sẽ đóng một vai trò quan trọng.
KAGRA là một máy dò sóng hấp dẫn dưới lòng đất sẽ bắt đầu hoạt động vào năm tới tại Nhật Bản. Nó bao gồm hai nhánh giao thoa kế laser vuông góc với nhau, mỗi nhánh dài 3 km, hoạt động ở nhiệt độ thấp và trong chân không. Sóng hấp dẫn có thể làm thay đổi chiều dài của mỗi nhánh bằng một phần nanomet. Hình ảnh cho thấy khối thử nghiệm treo trong buồng chân không ở cuối một nhánh.
Bức tranh chúng ta có về Vũ trụ hàm ý rằng nó được sinh ra cách đây khoảng 14 tỷ năm ở thời điểm gọi là “Vụ nổ lớn” (“Big Bang”) và đã không ngừng mở rộng và nguội dần kể từ đó. Sự hình thành hạt nhân, chủ yếu là heli, 3 phút sau Vụ nổ lớn và các nguyên tử, 400.000 năm sau Vụ nổ lớn, là các nguồn thông tin chính mà chúng ta dựa vào để xây dựng bức tranh hiện tại về sự tiến hóa của Vũ trụ. Rất đáng tiếc là các quan sát về các ngôi sao, các thiên hà, khí và bụi trong không gian ở giữa chỉ chiếm 5% những gì bức tranh này dự đoán; trong số 95% còn lại người ta có lý do chính đáng để tin rằng có một phần tư được tạo thành từ một dạng vật chất mà về cơ bản không chịu tương tác nào khác ngoài tương tác hấp dẫn nên được gọi là “vật chất tối” (“dark matter”) và tất cả các nỗ lực phát hiện sự tồn tại của nó cho đến nay vẫn thất bại; ba phần tư còn lại, chúng ta không biết chúng bao gồm những gì, tất cả điều chúng ta có thể làm là đặt cho nó một cái tên: “năng lượng tối” (“dark energy”). Ngoài hai bí ẩn lớn nói trên, bức tranh Vũ trụ hiện tại của chúng ta đang phải đối mặt với một vấn đề thứ ba: đó là hiểu được những khoảnh khắc đầu tiên của cuộc đời nó, khi nó được cho là đã mở rộng theo cấp luỹ thừa trong một thời gian rất ngắn, gọi là thời kỳ “lạm phát” (“inflation”).
Về thang Planck
Nhưng một vấn đề khác mà cả thuyết tương đối rộng và lý thuyết lượng tử đang phải đối mặt có lẽ là quan trọng nhất; nhiều người tin rằng việc giải quyết nó sẽ trả lời hầu hết các câu hỏi khác mà tôi đã mô tả ở trên; thuyết tương đối rộng và lý thuyết lượng tử không tương thích ở thang năng lượng Planck, tương ứng với khoảng 1019 khối lượng proton, hoặc 10 microgam hoặc 10-33 cm. Ở thang năng lượng như vậy, mật độ năng lượng của hấp dẫn lớn đến mức nó phải vi phạm các định luật cơ bản của vật lý lượng tử như là (các) hệ thức bất định Heisenberg. Thang (năng lượng) Planck nằm giữa thang của Vũ trụ ngay sau Vụ nổ lớn, tại thời điểm lạm phát, và thang, chỉ hai bậc thấp hơn, ở đó các tương tác giữa các hạt được cho là thống nhất vào một. Vật lý mới (New Physics) là cần thiết để mô tả (thế giới) ở thang Planck. Trong hơn ba thập kỷ, nghiên cứu đã lái theo con đường của “siêu dây” (“superstring”), trong đó “siêu” (“super”) chỉ “siêu đối xứng” (“supersymmetry”), loại đối xứng liên kết fermion với boson và “dây” (“string”) bao gồm “dây” và “màng” (“brane”) là các đối tượng 1-chiều (string) và 2-chiều (brane) ở thang Planck và “sống” trong không-thời gian 9 + 1 chiều, trong đó 6 chiều được cuộn nén (compactification) tới kích thước cực bé. Khoảng hai thập kỷ trước, người ta nhận ra có một lý thuyết tổng quát hơn trong không-thời gian 10 + 1 chiều, được gọi là lý thuyết M, hợp nhất “siêu đối xứng” (“supergravity”) 11 chiều với năm phiên bản nhất quán của lý thuyết dây, như là các trường hợp riêng (ở giới hạn nào đó) của lý thuyết dây, liên hệ với nhau thông qua các phép biến đổi đối ngẫu rất phức tạp. Sự phức tạp về mặt toán học của lý thuyết siêu dây thông thường và tính không thể tiếp cận trong thực tế của thang Planck, cùng với việc thiếu các tín hiệu lạc quan, làm gia tăng sử dụng các phương pháp khác nhau dựa trên nghiên cứu trực tiếp các lỗ đen kích thước lượng tử mà không bị ảnh hưởng bởi các định kiến của lý thuyết dây.
Hội thảo PGU2018
Vào nửa đầu tháng 12 năm 2018 tại Hà Nội đã diễn ra một hội thảo, gọi là PGU2018, về các vấn đề tiên phong của vật lý hiện đại trong lĩnh vực vật lý hạt cơ bản, vật lý thiên văn và vũ trụ học
Nội dung hội nghị bao phủ tất cả các chủ đề nghiên cứu nói trên (của vật lý thế giới) và cho thấy một bức tranh đẹp về sự tham gia vào tiến trình nghiên cứu đó của các nhà vật lý châu Á, và đặc biệt là các nhà vật lý Việt Nam. Hội nghị có sự góp mặt của khoảng một trăm đại biểu, trong đó một nửa đến từ Việt Nam và một phần ba từ các nước châu Á khác, với sự tham gia đặc biệt tích cực của Nhật Bản. Những diễn giả mời có uy tín (19 người) đã đưa ra một bức tranh tổng quan cập nhật nhất về các lĩnh vực. Năm người trong số họ đã báo cáo về những thành tựu, tiến độ và triển vọng triển khai các thí nghiệm lớn, bao gồm các thí nghiệm LHC (máy gia tốc đối chùm) đo khối lượng của hạt Higgs với độ chính xác lớn hai phần triệu và phát hiện một số phân rã rất hiếm của nó; và ba thí nghiệm tại Nhật Bản: 1) thí nghiệm neutrino đường cơ sở dài T2K cho thấy dấu hiệu vi phạm đối xứng CP và hiện đang nâng cấp máy dò Superkamiokande; 2) Belle II, “nhà máy sản xuất” b-quark, hiện đang bắt đầu hoạt động với một máy dò nâng cấp; và 3) máy dò sóng hấp dẫn dưới lòng đất mới KAGRA sẽ sớm bắt đầu thu thập dữ liệu. Về tương lai dài hạn, chương trình LHC có độ trưng (luminosity) cao và dự án siêu-K của Nhật Bản đặt cơ sở cho một tương lai hứa hẹn, trong khi vệ tinh Litebird, với sự tham gia mạnh mẽ của Nhật Bản, đang được coi là ứng viên tiềm năng cho việc tìm kiếm sóng hấp dẫn ban sơ phát ra vào thời kỳ lạm phát. Chín báo cáo mời lý thuyết đã trình bày về sự tiến bộ trong các lĩnh vực của thuyết tương đối rộng và vật lý tại thang Planck, đặc biệt nhấn mạnh đến vai trò của sóng hấp dẫn và lỗ đen, việc phát hiện sóng hấp dẫn đã mở ra một cửa sổ mới về vũ trụ học và nghiên cứu về phân bố trong Vũ Trụ của các sao neutron và hố đen. Tình hình nghiên cứu vật lý thiên văn ở Việt Nam đã được tổng quan với sự nhấn mạnh vào công việc của nhóm nghiên cứu tại Phòng Vật lý thiên văn và Vũ trụ của Trung tâm Vũ trụ Việt Nam, về vật lý sao (ở giai đoạn hình thành và giai đoạn cuối đời của chúng) và nghiên cứu các thiên hà sinh ra ở thời kỳ đầu của Vũ trụ với độ dịch chuyển đỏ lớn. Sáu trong số 21 báo cáo khác được các nhà vật lý Việt Nam trình bày đã minh họa cho sự đa dạng của công việc nghiên cứu đang được thực hiện trong nước. Trước khi ra về, các đại biểu đã bày tỏ sự cám ơn nồng nhiệt đến Nguyễn Anh Kỳ và nhóm của anh tại Viện Vật lý về sự cống hiến của họ vào sự thành công của hội nghị.
TS Nguyễn Anh Kỳ (Trung tâm Vật lý lý thuyết, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) dịch
Nguồn bài viết: Tạp chí Tia sáng
0 comments: