Vật lý là môn khoa học khám phá những định luật và cấu trúc cơ bản nhất của tự nhiên, đồng thời cố gắng mô tả và giải thích vũ trụ mà chúng ta đang sống bằng ngôn ngữ toán học.
Các nhà vật lý không ngừng đề xuất những lý thuyết, thí nghiệm mới nhằm kiểm chứng hoặc lật đổ những lý thuyết, thí nghiệm cũ, từ đó làm cho sự hiểu biết của chúng ta về tự nhiên trở nên sâu sắc và hoàn thiện hơn.
Trong lịch sử phát triển của vật lý học, đã có một số khám phá và đột phá lớn, làm thay đổi quan điểm và hiểu biết của chúng ta về vũ trụ, đồng thời có tác động to lớn đến tiến bộ công nghệ và phát triển xã hội của loài người.
Ví dụ, định luật hấp dẫn của Newton, thuyết tương đối của Einstein, mô hình nguyên tử của Bohr, điện động lực học lượng tử của Feynman, v.v. Trong số những khám phá và đột phá quan trọng này có một hạt rất đặc biệt và bí ẩn được gọi là "Hạt của Chúa", hay chính xác hơn là Boson Higgs.
Vậy hạt này là gì? Làm thế nào nó được phát hiện? Nó có tác động gì đến vật lý và con người?
Ngày càng có nhiều nhà khoa học quan tâm đến việc tìm kiếm “Hạt của Chúa” trong vật lý học mà nhờ đó có thể lý giải được những nguyên tắc cơ bản của vũ trụ. (Ảnh ZME).
Hạt của Chúa là gì?
Hạt của Chúa là hạt cơ bản tương tác với trường Higgs, tạo ra khối lượng cho các hạt khác. Vậy hạt cơ bản là gì? Hạt cơ bản là đơn vị nhỏ nhất cấu tạo nên vật chất, không thể phân chia và không thể cấu tạo từ các hạt khác.
Có hai loại hạt cơ bản đã biết: fermion và boson.
Fermion là các hạt có spin nửa nguyên tuân theo định luật thống kê Fermi-Dirac, chúng có tính đẩy và không thể chiếm cùng một trạng thái lượng tử trong cùng một thời điểm. Fermion bao gồm các quark và lepton (như proton, neutron, electron, v.v.) tạo nên hạt nhân và vỏ nguyên tử, và gluon truyền lực tương tác mạnh.
Boson là các hạt có spin nguyên tuân theo định luật thống kê Bose-Einstein, được tập hợp lại và có thể chiếm cùng một trạng thái lượng tử tại cùng một thời điểm. Boson bao gồm photon, truyền lực điện từ, lực yếu và lực hấp dẫn; boson W và Z, và graviton (chưa được khám phá); và boson Higgs, tương tác với trường Higgs.
Nhiều nhà khoa học trong quá khứ cho rằng Boson Higgs là một hạt, hoặc một tập hợp của những hạt, chúng tạo nên nền tảng cơ bản của khối lượng. (Ảnh Zhihu).
Vậy trường Higgs là gì? Trường Higgs là một trường bao trùm toàn bộ vũ trụ và nó có thể được hiểu là một môi trường nhớt, vô hình, qua đó các hạt khác nhau chịu những mức độ cản khác nhau và do đó thu được những khối lượng khác nhau.
Nếu không có trường Higgs, mọi hạt sẽ không có khối lượng như photon, không thể hình thành nguyên tử, phân tử và vật chất. Do đó, Boson Higgs được gọi là "Hạt của Chúa" và nó định hình toàn bộ vũ trụ.
Boson Higgs được đưa ra về mặt giả thuyết vào năm 1964 bởi Peter Higgs và một số nhà vật lý khác, những người đã cố gắng giải thích tại sao các boson W và Z, những hạt mang lực hạt nhân yếu, có khối lượng, trong khi lực điện từ photon mang không có khối lượng. Họ đề xuất cơ chế Higgs, cơ chế sử dụng sự phá vỡ đối xứng tự phát để ban cho các hạt cơ bản khối lượng mà không vi phạm lý thuyết chuẩn.
Giả thuyết từ những năm 1960 cho rằng hạt Higg là nguồn cung cấp khối lượng cho các hạt cơ bản. Hạt Higg được tạo ra từ trường lượng tử giả thiết phổ biến, hay còn gọi là trường Higg có khả năng cung cấp động lượng cần thiết để các hạt có được khối lượng của chúng. (Ảnh: Zhihu)
Hạt của Chúa được phát hiện như thế nào?
Boson Higgs là một loại hạt rất khó quan sát vì nó đòi hỏi năng lượng cực cao để tạo ra và phân rã nhanh thành các hạt khác. Các nhà vật lý đã mất hàng chục năm để tìm kiếm dấu vết của nó, cho đến năm 2012, tại Máy Va chạm Hadron Lớn do CERN chế tạo, các nhà khoa học đã quan sát thấy một boson mới có khối lượng và tính chất tương tự như "Hạt cùa Chúa".
Ngày 14/3/2013, CERN chính thức công bố việc tìm ra Boson Higgs và chứng minh sự tồn tại của trường Higgs.
Máy va chạm Hadron châu Âu hiện là máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới, nằm cách biên giới Thụy Sĩ và Pháp 100 mét, có chu vi 27 km, và nó có thể tạo ra các mảnh hạt năng lượng cao. Bằng cách phân tích những mảnh hạt này, các nhà vật lý có thể khám phá tính chất và tương tác của các hạt cơ bản, cũng như những gì đã xảy ra với vũ trụ sau Vụ nổ lớn. (Ảnh: NBC).
Để khám phá Boson Higgs, các nhà vật lý cần tiến hành hàng chục triệu thí nghiệm va chạm tại Máy Va chạm Hadron Lớn và sử dụng các phương pháp phân tích dữ liệu phức tạp để sàng lọc các sự kiện có thể chứa tín hiệu Boson Higgs. Đây là công việc vô cùng khó khăn và tốn thời gian, đòi hỏi sự hợp tác, nỗ lực của hàng nghìn nhà khoa học, kỹ sư trên khắp thế giới.
Việc phát hiện ra Hạt của Chúa là một sự kiện quan trọng trong thế giới vật lý. Nó không chỉ xác minh Mô hình Chuẩn, lý thuyết thành công và hoàn hảo nhất về các hạt cơ bản, mà còn tiết lộ một trong những bí ẩn sâu sắc nhất của tự nhiên, đó là cách thức tạo ra khối lượng.
Mô hình Chuẩn là một khung toán học mô tả các hạt cơ bản và tương tác của chúng (ngoại trừ lực hấp dẫn). Mô hình này có thể giải thích hầu hết các hiện tượng vật lý đã biết và dự đoán nhiều hiện tượng vật lý mới.
Mô hình Chuẩn bao gồm 12 loại fermion, 4 loại boson chuẩn, 1 loại Boson Higgs và các phản hạt tương ứng, tổng cộng có 28 loại hạt cơ bản. Trong Mô hình Chuẩn, hạt Higgs là hạt duy nhất chưa được quan sát bằng thực nghiệm, vì vậy nó là mảnh ghép cuối cùng của Mô hình Chuẩn, và là mảnh ghép khó tìm nhất.
Việc phát hiện ra boson Higgs có nghĩa là Mô hình Chuẩn đã được hỗ trợ đầy đủ bởi thực nghiệm, đồng thời cũng có nghĩa là hiểu biết của chúng ta về các hạt cơ bản đã đạt đến một tầm cao mới.
Ngoài việc có tác động lớn đến bản thân vật lý, việc phát hiện ra Hạt của Chúa còn có ý nghĩa sâu sắc đối với xã hội loài người. Để khám phá ra Hạt của Chúa, các nhà vật lý đã phát triển nhiều dụng cụ và thiết bị tiên tiến, chẳng hạn như Máy Va chạm Hadron Lớn, máy dò, máy tính, mạng, v.v. Những dụng cụ và thiết bị này không chỉ được sử dụng trong nghiên cứu cơ bản mà còn được sử dụng trong các lĩnh vực khác như y học, kỹ thuật, giáo dục, v.v...