Lực Higgs, Lực cơ bản thứ 5 của Tự nhiên

Bài viết liên quan

Việc khám phá ra hạt Higgs ở CERN với giải Nobel Vật lý 2013 mở một chương mới trong khoa học vì đây là lần đầu tiên con người khám phá ra một lực mới lạ mang khối lượng cho vật chất, ta có thể coi nó như lực cơ bản thứ năm của Tự nhiên bên cạnh bốn lực cơ bản quen thuộc là Hấp dẫn, Điện-từ, Hạt nhân mạnh, Phân rã yếu. Tuy trường Higgs truyền khối lượng cho vạn vật, nhưng cái gì mang lại cho chính hạt Higgs cái khối lượng 126 GeV/c2 mà máy gia tốc đối chùm LHC khám phá ra?

Khối lượng của các hạt được giải thích bởi sự tương tác giữa chúng với trường Higgs, nhưng chính hạt Higgs thì tương tác với ‘ai’ để có khối lượng? Cường độ tương tác bằng bao nhiêu? Trường Higgs thực sự đại diện cho lực cơ bản thứ 5 mới lạ, cũng như graviton đại diện cho lực hấp dẫn, photon cho lực điện-từ, keo (gluon) cho lực hạt nhân mạnh, và W, Z cho lực phân rã yếu?

Đơn giản xin nhắc lại điều mà chúng ta đều nhớ ở lớp cuối Trung học là định luật vạn vật hấp dẫn (giữa hai khối lượng khác nhau M và m ở cách nhau một khoảng cách không gian R) được diễn tả bởi tích số của M với m rồi chia cho R bình phương, tất cả cuối cùng lại nhân thêm với hằng số tương tác Newton GN. Với điện-từ ta có lực mang tên Lorentz, ở đây hằng số tương tác là điện tích phổ quát e của electron . Cũng vậy với hai lực hạt nhân mạnh và yếu, mỗi lực lại có một hằng số tương tác thích ứng. Khi chúng được lượng tử hóa với nguyên lý bất định Heisenberg, phương pháp và chi tiết tính toán dĩ nhiên sẽ phức tạp hơn, nhưng những kết luận của bài này để xác định lực Higgs là cơ bản (ngang hàng với bốn lực khác) không hề thay đổi bởi những phức tạp đó.

Tóm lại là mỗi lực đều có một định luật riêng diễn tả sự tương tác ra sao và có một hằng số tương tác thích ứng để định lượng chính xác tất cả các đo lường đong đếm thực nghiệm hoặc tiên đoán các hiện tượng mới mẻ. Ngoài ra ba định luật lượng tử cơ bản là điện-từ, hạt nhân mạnh và phân rã yếu đều có chung một thuộc tính quan trọng, đó là vật chất (tượng trưng bởi quark và lepton) tương tác với nhau qua sự trao đổi theo thứ tự ba trường photon, keo và W,Z, điều mới mẻ nữa là chúng còn phải trao đổi thêm với trường vô hướng Higgs để có khối lượng. Trường hợp chưa được lượng tử hóa của thuyết cổ điển Tương đối rộng Einstein thay thế thuyết hấp dẫn Newton có khác một điểm là ta ít đề cập đến lực mà quan tâm nhiều đến độ cong của không-thời gian. Tuy nhiên khái niệm hằng số tương tác là hoàn toàn cần thiết để định lượng cường độ của lực, mỗi lực cơ bản đều có riêng một hằng số tương tác của nó, thuyết Tương đối rộng vẫn tiếp tục cần đến hằng số Newton GN để tính toán đo lường. Nên nhấn mạnh là cho đến thời điểm hiện tại, trị số của các hằng số tương tác đều do thực nghiệm cung cấp bởi sự đo lường những đại lượng vật lý tương ứng, không có lý thuyết thuần túy nào cho được những hằng số đó có giá trị là bao nhiêu mà không dùng thực nghiệm.

Sơ đồ các hạt cơ bản trong Mô Hình Chuẩn

Như vậy để trả lời câu hỏi là lực Higgs có cơ bản hay không, ta cần xác định hai điều : thứ nhất "định luật nội tại của nó tương tác ra sao" và thứ hai "hằng số tương tác là bao nhiêu". Về định luật thì trường Higgs với bốn thành phần chúng tự tương tác (self interact), trao đổi riêng tư với nhau, ba trong bốn thành phần đó mang khối lượng cho ba boson của lực yếu W+, W-, Z rồi biến mất. Thành phần thứ tư trực giao với photon của điện-từ chính là hạt Higgs vô hướng có khối lượng bằng 126 GeV/c2 mà LHC đầu tiên đo lường được vào ngày 4 tháng 7 năm 2012. Còn hằng số tương tác là một đại lượng không thứ nguyên (dimensionless) được xác định bằng 0.128, con số này tác giả tính ra dựa vào khối lượng 126 GeV/c2 , biết vậy nhưng chẳng công bố vì quá hiển nhiên đối với những người trong ngành vật lý hạt. Cách tính này cũng giống như cách tính hằng số Newton dựa vào gia tốc g = 9.81 m/s2 của trọng trường trái đất đo lường cách đây vài trăm năm rồi bởi Galilei.

Trong khi bốn lực cơ bản quen thuộc nối kết vật chất quark, lepton với nhau qua sự trao đổi các trung gian sứ giả là graviton, photon, gluon, W, Z thì lực cơ bản thứ 5 lại khép kín, bốn thành phần của trường Higgs tác động riêng tư với nhau, chúng tự tương tác với hằng số 0.128 để mang khối lượng cho hạt Higgs còn sót lại.

Lực Higgs này gợi ra một cách tiếp cận mới mẻ về khối lượng, khác với quan điểm cố hữu từ thời Newton xa xưa coi khối lượng là một tham số cho trước bởi tự nhiên, một tiên nghiệm theo nghĩa của Kant, mà không cần hay biết nguồn gốc sâu xa. Mô hình chuẩn bảo cho ta là khối lượng của vạn vật được tạo ra bởi sự tương tác của chúng với hạt vô hướng Higgs (spin 0, trung hòa điện tích, khối lượng 126 GeV/c2) tràn đầy vũ trụ từ thuở hồng hoang sau vụ Nổ lớn. Khởi thủy tất cả đều không có khối lượng, do sự tương tác với trường Higgs mà vật chất mang khối lượng. Quan niệm về khối lượng cần phải đổi khác từ nay, sự tương tác của vạn vật với hạt Higgs trong chân không lượng tử, một vũ đài náo nhiệt, mới chính là cội nguồn mang năng-khối lượng cho chúng. Có một điều chắc chắn là nếu trường Higgs không hiện diện thì mọi vật trong cuộc sống sẽ không có khối lượng, giống như photon của ánh sáng thuần khiết và thế giới sẽ không như nó đang là.

Tác giả: Phạm Xuân Yêm, Nguồn bài viết: Trang diễn đàn

Chia sẻ bài viết