Năm 2012, giới khoa học toàn cầu chấn động trước tuyên bố mang tính lịch sử từ CERN, tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu, về việc tìm ra hạt Higgs, hay còn gọi là “hạt của Chúa”. Phát hiện này được xem là mảnh ghép cuối cùng, hoàn thiện bức tranh của Mô hình Chuẩn, làm sáng tỏ nhiều bí ẩn về thế giới vi mô và cả vũ trụ bao la. Vậy, vì sao hạt Higgs lại có tầm quan trọng lớn đến như vậy và hành trình tìm kiếm nó gian nan đến mức nào?
Bí ẩn Nguồn Gốc Vật Chất và Thuyết Vạn Vật
Trong suốt nhiều thế kỷ, các nhà khoa học đã không ngừng tìm kiếm lời giải đáp cho câu hỏi: vạn vật từ đâu mà đến và vũ trụ hình thành như thế nào? Điều gì chi phối các dạng vật chất và năng lượng trong vũ trụ vô tận này? Từ những câu hỏi này, nhiều giả thuyết và lập luận đã ra đời, trở thành đối tượng nghiên cứu chủ yếu của ngành vật lý lượng tử. Những khám phá vũ trụ đã dần hé lộ hiểu biết của nhân loại về vạn vật, cô đọng thành Thuyết Vạn Vật. Thuyết này tham vọng giải thích tất cả các khía cạnh vật lý của vũ trụ, mà một trong những điều cốt lõi là khám phá ra “hạt của Chúa”.
Thuyết tương đối của Einstein, ra đời những năm 1950, đã bổ sung cho thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton, đặc biệt khi áp dụng vào hệ quy chiếu với vận tốc cao. Tuy nhiên, thuyết tương đối không chỉ chỉnh sửa định luật nghịch đảo bình phương mà còn loại bỏ khái niệm hấp dẫn là lực hút giữa các vật thể. Mô hình chuẩn của vật lý hạt ra đời đã tạo ra một cuộc cách mạng, tập trung vào khám phá, tìm hiểu và tiên đoán đặc tính của các thành phần sơ cấp cấu tạo nên vật chất trong vũ trụ.
Mô Hình Chuẩn và Hạt Cơ Bản
Mô hình chuẩn của vật lý hạt được chấp nhận rộng rãi vì nó đưa ra lời giải thích toàn vẹn và nhất quán về hệ thống vật chất và năng lượng trong vũ trụ. Mô hình này mô tả sự tương tác của các hạt cơ bản với ba trong bốn lực cơ bản: lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Theo mô hình chuẩn, có hai loại hạt cơ bản: hạt tạo nên vật chất (fermion) và hạt mang theo lực (boson). Các hạt này được sắp xếp dựa trên các thuộc tính, một trong số đó là khối lượng.
Một điều bí ẩn là các nhà khoa học đo được khối lượng của các hạt cơ bản, nhưng không thể xác định chính xác nguồn gốc và lý do chúng có khối lượng như vậy. Để giải thích điều này, giả thuyết về trường Higgs đã ra đời. Trường Higgs là một trường lượng tử, hệ quả của lưỡng tính sóng hạt, tồn tại khắp vũ trụ. Hạt đi kèm với trường Higgs là hạt Higgs (hay h boson). Theo mô hình này, các hạt cơ bản có khối lượng càng tương tác mạnh với trường Higgs thì khối lượng của chúng càng lớn. Nếu không có trường Higgs, sẽ không có khối lượng, không có vật chất, không có ngôi sao, trái đất, con người hay bất kỳ sự sống nào.
Hạt Higgs: “Hạt của Chúa” và Hành Trình Khám Phá
Hạt Higgs được coi là mảnh ghép quan trọng, có thể chứng minh sự tồn tại của trường Higgs. Cái tên “hạt của Chúa” được nhà vật lý Leon Lederman đặt ra, cho thấy sự khó khăn trong việc tìm kiếm nó. Hạt Higgs đóng vai trò quan trọng trong việc giải thích sự tồn tại của khối lượng, sự đa dạng và sự sống trong vũ trụ. Hạt được đặt theo tên của nhà vật lý người Scotland Peter Higgs, người đoạt giải Nobel năm 2013.
Tuy nhiên, việc truy tìm hạt Higgs là một bài toán hóc búa. Các nhà vật lý cho rằng không thể tìm ra nó bằng công nghệ hiện tại vì hạt này di chuyển với tốc độ chóng mặt và chỉ có thể xác định thông qua sự phân rã. Vì vậy, việc tìm kiếm hạt Higgs được coi là “sứ mệnh bất khả thi”. Để thực hiện sứ mệnh này, CERN đã xây dựng máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới, Large Hadron Collider (LHC), với chi phí lên đến 10 tỷ đô la.
Máy Gia Tốc LHC và Những Va Chạm Lịch Sử
LHC là một đường hầm dài 27km nằm dưới biên giới Pháp và Thụy Sĩ, chứa khoảng 9000 thanh nam châm siêu dẫn. Máy gia tốc này gia tốc các hạt proton và cho chúng va chạm với nhau ở tốc độ cực lớn. Những tia sáng và mảnh vỡ sinh ra từ các vụ va chạm được ghi lại và phân tích, với hy vọng tìm thấy hạt Higgs. Vì hạt Higgs được cho là không ổn định và phân rã rất nhanh, các nhà khoa học phải truy tìm dấu vết của nó thông qua sự phân rã.
Hai nhóm nghiên cứu độc lập, Atlas và CMS, với hơn 3000 nhà vật lý mỗi nhóm, đã được giao nhiệm vụ phát hiện và phân loại mọi thứ từ các vụ va chạm. Đến cuối năm 2011, cả hai nhóm cùng phát hiện ra các tín hiệu trùng hợp trong dữ liệu của LHC, cho thấy có một hạt mới với khối lượng khoảng 125 đến 126 tỷ electron Volt. Sau 6 tháng nghiên cứu chuyên sâu, CERN xác nhận rằng hạt này có thể là hạt Higgs.
Hạt Higgs: Khởi Đầu Cho Những Khám Phá Mới
Mặc dù đã phát hiện ra hạt Higgs, các nhà khoa học vẫn chưa dám khẳng định chắc chắn đây chính là hạt của Chúa. Khả năng thấu hiểu vũ trụ của chúng ta vẫn còn hạn chế. Việc phát hiện ra hạt Higgs chỉ là điểm khởi đầu cho hành trình tìm kiếm nguồn gốc của vạn vật. Như nhà triết học Immanuel Kant từng nói, “mỗi câu trả lời lại làm giấy lên những câu hỏi mới”. Hành trình khám phá vũ trụ vẫn còn dài và đầy thách thức phía trước.