Một buổi sáng đẹp trời, bạn bước chân lên bàn cân, và những gì bạn trông chờ là một con số nhỏ hơn số cân của bạn tháng trước. Bạn mong rằng mình sẽ giảm cân. Thực chất, những gì hiện ra trên bảng cân chính là những gì lực hấp dẫn tác động lên khối lượng của bạn. Nhưng điều gì đã tạo nên khối lượng của bạn?
Hạt Higgs là gì, và nguyên lý hoạt động của nó ra sao?
Đó là một trong những câu hỏi gây ra nhiều tranh cãi nhất, một trong những vấn đề được nhiều người theo đuổi nhất trong nghành vật lý hiện đại. Nhiều nhà khoa học cho rằng Higgs là một hạt, hoặc một tập hợp của những hạt, chúng tạo nên nền tảng cơ bản của khối lượng. Ý tưởng này có vẻ phi trực quan. Như ta đã biết, khối lượng là đặc tính cố hữu của vật chất. Nếu không, làm cách nào mà một thực thể có thể truyền khối lượng sang các vật khác đơn giản chỉ bằng cách luân chuyển và tương tác với nhau?
Nguyên lý hoạt động của thuyết Higgs có thể được hình dung đơn giản qua ví dụ sau: bạn là một ngôi sao lớn, và tối nay bạn đang có mặt ở đây, giữa đám đông những fan hâm mộ cuồng nhiệt. Sự có mặt của bạn nhanh chóng thu hút những người xung quanh - cả những fan và những kẻ hiếu kỳ. Đám đông tụ tập xung quanh bạn nhanh chóng tạo ra cho bạn động lượng - một dấu hiệu của khối lượng. Bạn sẽ thấy rất khó khăn hơn trong việc thoát ra khỏi đám đông đó, và càng khó khăn hơn trong việc quay lại chỗ ban đầu.
Hiệu ứng đám đông này chính là cơ chế của nguyên lý Higgs, được phát hiện ra bởi nhà vật lý học người Anh Peter Higgs vào những năm 1960. Ông đưa ra giả thuyết rằng vũ trụ được lấp đầy bởi một trường dạng tinh thể - trường Higgs. Nó giống như một trường điện từ, và có ảnh hưởng đến các hạt di chuyển qua nó. Điều này cũng đã được chứng minh trong vật lý hiện đại, khi các nhà khoa học thấy rằng, khi một hạt electron đi qua một mạng lưới nguyên tử mang điện dương, khối lượng của nó có thể tăng đến 40 lần. Trở lại với ví dụ về việc đám đông vây quanh ngôi sao ở trên, trong trường Higgs - đó là hiện tượng truyền khối lượng cho hạt.
Những câu hỏi về khối lượng luôn là một vấn đề cực kỳ nan giải trong khoa học, và với việc tìm ra hạt Higgs, dường như các nhà khoa học đã tìm ra những mảnh ghép cuối cùng trong Mô Hình Chuẩn. Mô hình chuẩn mô tả 3 trong số 4 lực tự nhiên: lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Lực điện từ đã được hiểu khá rõ trong nhiều thập kỷ qua. Và trong quãng thời gian gần đây, các nhà vật lý học đã hiểu một cách cặn kẽ hơn về lực hạt nhân mạnh - lực liên kết các phần của hạt nhân nguyên tử lại với nhau, và lực hạt nhân yếu - lực chi phối tạo ra phản ứng tổng hợp hydro, phản ứng giúp hình thành năng lượng mặt trời.
Lực điện từ mô tả cách thức các hạt tương tác với photon, đó là sự hình thành nên các "bó" (nguyên văn - packet) bức xạ điện từ. Một cách tương tự, lực hạt nhân yếu mô tả cách thức 2 hạt boson W và Z tương tác với neutron, electron, quark và các hạt khác. Sự khác biệt rất cơ bản giữa 2 phương thức này: photon không có khối lượng, trong khi đó khối lượng của boson W và boson Z là cực kỳ lớn. Thực tế, chúng là các hạt mang khối lượng lớn nhất từng được biết đến từ trước đến nay.
Có nhiều giả thuyết cho rằng boson W và boson Z chỉ đơn giản tồn tại và tương tác với các hạt khác. Tuy nhiên, vì những lý do toán học, khối lượng cực-kỳ-lớn của 2 boson này lại tăng một cách mâu thuẫn trong Mô hình chuẩn. Để giải quyết vấn đề này, các nhà vật lý cho rằng phải tồn tại ít nhất một hạt khác - hạt Higgs.
Một vấn đề khác khi nghiên cứu sự cấu thành nên các hạt cơ bản trong mô hình chuẩn - đó là khối lượng của các hạt này. Các nhà khoa học đã quan sát thấy có tất cả 16 hạt tạo nên tất cả mọi vật chất, tuy nhiên, chúng không hề có khối lượng, và điền này hoàn toàn đi ngược lại những gì ta đã biết về tự nhiên. Chắc chắn phải có thứ gì đó đã cung cấp khối lượng cho chúng, và đó rất-có-thể-là những hạt Higgs.
Tìm kiếm hạt Higgs - một chặng đường dài
Chứng minh sự tồn tại của hạt Higgs - đó là cả một quá trình tìm kiếm, nghiên cứu và phát triển. Điều đó hoàn toàn xứng đáng, vì nếu như công trình này thành công, nó sẽ dẫn tới một bước đột phá rất lớn trong ngành vật lý hạt. Một số nhà vật lý lý thuyết cho rằng nó sẽ làm sáng tỏ những điều bí ẩn trong những tương tác mạnh, một số người khác tin rằng nghiên cứu này sẽ hé mở ra một thuộc tính đối xứng mới trong vật lý - Siêu đối xứng.
Trước tiên, các nhà khoa học phải xác định được xem, các hạt Higgs có thực sự tồn tại hay không. Cuộc tìm kiếm này đã diễn ra được hơn 10 năm, ở cả hai trung tâm khoa học lớn nhất thế giới là CERN và Fermilab. Để làm được điều này, các nhà nghiên cứu phải đập vỡ các hạt thành các mảnh nhỏ bằng cách gia tốc chúng lên một vận tốc cực kỳ lớn, thông qua việc sử dụng một thiết bị tên gọi là Large Electron Positron Collider (LEP) - tạm dịch: máy va chạm positron - electron lớn. Sự va chạm giữa các hạt với vận tốc rất lớn này sẽ chuyển chúng thành các phần tử nhỏ hơn, và một trong số đó - rất có thể sẽ là một hạt Higgs. Tuy nhiên, các hạt Higgs lại có thời gian tồn tại rất ngắn, vì vậy, để chứng minh sự có mặt của chúng, các nhà khoa học lại tiếp tục phải tìm kiếm những dấu vết mà chúng để lại sau mỗi vụ va chạm.
Tháng 8/2000, các nhà vật lý làm việc tại CERN đã tìm thấy những dấu vết với những mô hình phù hợp, tuy nhiên, bằng chứng này vẫn chưa đủ thuyết phục. Máy LEP của CERN sau đó phải tạm ngừng hoạt động, nhưng việc nghiên cứu vẫn tiếp tục diễn ra ở Fermilab.
Năm 2004, lần đầu tiên những công bố về khối lượng của hạt Higgs được đăng tải trên tờ tạp chí danh tiếng Nature. Công trình này thuộc về tiến sỹ Peter Renton và các cộng sự. Nếu như những gì được công bố trong công trình này là chính xác, thì khối lượng một hạt Higgs ước tính vào khoảng 115 GeV - gigaelectronvolt.
Năm 2009, đã có nhiều ý kiến đề xuất rằng các hạt Higgs không chỉ tương tác với các hạt trong Mô hình chuẩn, mà còn có những tương tác rất bí ẩn với những hạt có khối lượng khổng lồ, những hạt tạo nên vật chất tối. Những tương tác này có vai trò ngày càng lớn trong ngành vật lý thiên thể học trong khoảng thời gian gần đây.
Ngày 13/12/2011, hai nhóm nghiên cứu CMS và ATLAS đã trình bày thí nghiệm tìm kiếm hạt Higgs trước toàn bộ giới vật lý châu Âu. Mô hình thí nghiệm cũng tương đương với những gì mà CERN đã tiến hành vào năm 2000, tuy nhiên, các hạt đã được gia tốc lên gần với vận tốc ánh sáng trước khi đập vào nhau. Đồng thời, hệ thống phân tích vụ va chạm sau đó cũng đã được cải tiến rất nhiều. Kết quả đo đạc cho biết, khối lượng của hạt Higgs ở vào khoảng 116-130 GeV - và kết quả này dựa vào sự chênh lệch khối lượng giữa các hạt trước và sau vụ va chạm. Người phát ngôn của ATLAS cho biết: "Kết quả này vẫn là chưa đủ để chứng minh sự tồn tại của hạt Higgs. Vẫn còn nhiều nghiên cứu phải tiến hành, và nhiều số liệu cần phải được làm sáng tỏ. Tất nhiên, với những thành quả xuất sắc đã đạt được, chúng tôi tin rằng ngày giải mã bí ẩn này sẽ không còn xa nữa".
Hạt Higgs- hạt của chúa trời
Nếu được chứng minh là tồn tại, hạt Higgs có thể sẽ là câu trả lời cho rất nhiều bí ẩn của ngành vật lý học hiện đại, trong đó có vụ nổ Big Bang cách đây 13,7 tỷ năm, và sự tồn tại của vật chất tối. Nó sẽ là mảnh ghép còn thiếu trong bức tranh về mô hình của các hạt đã cấu thành nên vũ trụ, từ đó, nó cho ta mọi câu trả lời về vũ trụ: nguồn gốc của vũ trụ, nó tồn tại như thế nào, và nhất là nó sẽ phát triển ra sao.
Do có vai trò quá lớn như vậy, nên từ lâu hạt Higgs đã được biết đến với tên gọi: Hạt của Chúa trời - The God Particle. Một cái tên mang đậm chất tôn giáo, nhưng thực tế, người đầu tiên đưa ra tên gọi này là nhà vật lý từng đoạt giải Nobel năm 1988 - Leon Lederman. Ông giải thích rằng "Bởi vì nó là trung tâm của mọi loại hạt, quá quan trọng đối với hiểu biết của chúng ta về cấu trúc của vật chất, nhưng lại quá khó nắm bắt".
Tuy nhiên, phần lớn các nhà khoa học đều không thích cái tên này, vì nó mang nặng tính huyền bí, và rất dễ gây hiểu nhầm. Nhiều nhà khoa học đã đề nghị bác bỏ tên gọi này, và rất nhiều lựa chọn thay thế đã được đưa ra. Proton, electron, photon, tất cả đều mang hậu tố -on, vậy tại sao không sử dụng tên gọi Masson? (Mass: Khối lượng). Một số người khác cho rằng, hạt Higgs đã là một cái tên quá đẹp. Cũng có ý kiến đề nghị nên gọi nó là hạt Billion - cái tên nhắc chúng ta nhớ đến khoản tiền hàng tỷ đô la đã được bỏ ra trong hành trình khám phá ra hạt Higgs.
