Sụp đổ đối xứng điện yếu: giải quyết được điều bí ẩn về việc đối xứng bị sụp đổ có thể xác định phương hướng trong tương lai của vật lý hạt như thế nào.

Edward Witten

NATURE|VOL 429 | 3 JUNE 2004 |www.nature.com/nature

Biên dịch: Ngô Minh Tuấn

Tổ tiên thời tiền sử của chúng ta không cần đến bất cứ trang thiết bị hiện đại nào để dò ra hiệu ứng của cái mà ngày nay chúng ta gọi là những tương tác điện từ. Ánh sáng trong cuộc sống thường ngày rõ ràng là đẹp, và những hiệu ứng điện từ khác, chẳng hạn như sự tĩch điện, sét và những tính chất từ của một số tảng đá, ví dụ như đá nam châm, đều đã được nhiều người biết đến từ xưa rồi.

Nhưng phải cần đến một chút công nghệ hiện đại để thậm chí là phát hiện ra sự tồn tại của những tương tác yếu – chứ chưa nói đến việc hiểu chúng. Chúng ta lần đầu tiên nhận ra sự tồn tại của tương tác yếu với sự phát hiện ra hiện tượng phóng xạ vào năm 1896. Một số hạt nhân phóng xạ phân hủy bằng cách phát xạ hạt β, mà ngày nay chúng ta biết đó là những hạt electron mang năng lượng. Sự phân rã hạt nhân β này là lối hữu dụng nhất để thâm nhập vào tương tác yếu, và là con đường duy nhất khả dĩ cho mãi đến tận giữa thế kỷ vừa qua, đến khi những máy dò tia vũ trụ, lò phản ứng hạt nhân và máy gia tốc hạt bước lên sân khấu. Điện học, từ tính và ánh sáng xưa kia được xem như ba chủ đề riêng biệt. Việc hiểu được sự thống nhất của chúng, đã đạt được trong thế kỷ XIX, dẫn các nhà khoa học đến việc mô tả chung chúng là các hiện tượng “điện từ”. Điện từ dường như là một thỏa thuận có giá trị rõ ràng hơn những tương tác yếu. Nhưng với hiểu biết hiện nay của chúng ta, được xây dựng trên cái gọi là “mô hình chuẩn” của vật lý hạt, thì chúng hoàn toàn tương tự như nhau. Ví dụ, hiện tượng điện từ được mô tả bởi các phương trình Maxwell, và tương tác yếu được mô tả bởi một tập hợp các phương trình, mặc dù là phi tuyến, hoàn toàn tương tự (gọi là các phương trình Yang – Mills). Một ví dụ khác, một hạt cơ bản gọi là photon là đơn vị lượng tử cơ bản của điện từ, và những hạt tương tự gọi là boson W Z là đơn vị lượng tử cơ bản của tương tác yếu. Do bởi mối quan hệ gần gũi này giữa điện từ và tương tác yếu, nên các nhà vật lý hạt hiện đại gộp chung chúng thành tương tác “điện yếu”.

Nếu tương tác yếu là tương tự với điện từ, vậy tại trong cuộc sống hàng ngày chúng lại xuất hiện rất khác nhau như vậy? Theo như mô hình chuẩn, chìa khóa nằm ở sự “phá vỡ đối xứng”. Cho dù các quy luật tự nhiên có một đối xứng – trong trường hợp này là đối xứng giữa điện từ và tương tác yếu, hay đối xứng giữa photon và boson WZ – thì những đáp án của các phương trình lại có thể thiếu sự đối xứng đó.

Ví dụ, trong một chất lỏng, một nguyên tử có khả năng di chuyển như nhau về mọi hướng trong không gian – không có trục tọa độ nào được ưu tiên. Nhưng nếu chúng ta làm lạnh chất lỏng đó cho đến khi hóa băng nó, một tinh thể băng sẽ định dạng, nó có những trục phân biệt. Mọi hướng trong không gian đều có khả năng như nhau là trục tinh thể, nhưng khi chất lỏng đông lại một số trục phân biệt sẽ luôn luôn xuất hiện. Đối xứng giữa những hướng khác nhau trong không gian đã bị mất hay “tự phá vỡ”. Tương tự như vậy, theo mô hình chuẩn, ngay sau “Vụ nổ lớn” là thời kỳ đối xứng hoàn hảo giữa photon với boson W Z. Ở nhiệt độ cao tồn tại lúc đó, điện từ và tương tác yếu rõ ràng là như nhau. Nhưng khi vũ trụ lạnh đi, nó trải qua một pha chuyển tiếp, có phần nào đó tương tự như sự đông lạnh của một chất lỏng, trong đó đối xứng “tự phá vỡ”. Boson W Z trở nên có khối lượng, giới hạn tương tác yếu trong khoảng cách hạt nhân và làm cho những tác động của nó vượt khỏi tầm mắt trần của chúng ta. Photon vẫn không có khối lượng, kết quả là những hiệu ứng điện từ được phổ biến rộng rãi trên thang khoảng cách của con người (và bên ngoài đó nữa) và là rõ ràng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.

Hầu hết các khía cạnh của mô hình chuẩn đã được kiểm nghiệm nhiều bằng thực nghiệm. Chẳng hạn, mômen từ của electron đo được thấp hơn 1/12 lần con số có ý nghĩa, kết quả này phù hợp một cách tuyệt vời với lý thuyết. Nhiều tính chất tiên đoán của boson WZ đã được xác minh tới ba đến bốn con số. Gần đây nhất, kỹ thuật mà nhờ nó mô hình chuẩn vi phạm đối xứng giữa vật chất và phản vật chất đã được kiểm tra trong các phòng thí nghiệm ở California và Nhật.

Một khía cạnh của mô hình chuẩn mà chúng ta vẫn chưa có khả năng kiểm tra qua thực nghiệm có lẽ là cái cơ bản nhất: đối xứng bị phá vỡ như thế nào? Tuy nhiên, chúng ta có một ý tưởng sáng sủa thú vị về nơi có thể cung cấp được những thông tin đó. Cũng như bạn có thể sử dụng một lượng các nguyên tử và năng lượng cần thiết để ước đoán điểm tan chảy của tinh thể, bạn cũng có thể sử dụng một lượng các boson W và Z và những tính chất quan sát được khác của các hạt cơ bản để ước lượng mức nhiệt độ hoặc năng lượng cao mà các máy gia tốc hạt cần đạt đến để khảo sát sự phá vỡ đối xứng điện yếu. Theo những ước đoán này, sự phá vỡ đối xứng điện yếu có lẽ là ở trong tầm với của chiếc máy gia tốc mạnh nhất thế giới, máy gia tốc Tevatron tại Fermilab ở Chicago, và chắc chắn sẽ nằm trong tầm với của chiếc máy gia tốc Large Hadron Collider (LHC), một chiếc máy gia tốc mới được dự kiến đưa vào hoạt động năm 2007 tại CERN, phòng thí nghiệm vật lý hạt châu Âu gần Geneva.

Chúng ta mong đợi sẽ tìm được gì? trong nguyên bản chính (và trong sách giáo khoa) của mô hình chuẩn, điều then chốt đối với sự phá vỡ đối xứng điện yếu là một thực thể gọi là hạt Higgs. Ở nhiệt độ cao, hạt Higgs, giống như các hạt khác, chuyển động hỗn độn. Nhưng khi vũ trụ lạnh đi, hạt Higgs kết hợp thành một “Bose condensate”, một trạng thái ngăn nắp trong đó nhiều hạt cùng chia sẻ một hàm sóng, dẫn đến – trong trường hợp của Heli – chất siêu lỏng. Đối xứng điện yếu bị phá vỡ theo “hướng” của Bose condensate (trong một không gian trừu tượng mô tả các hạt lực khác nhau) theo cách đại thể như trong một tinh thể, đối xứng quay bị phá vỡ theo những hướng của trục tinh thể. Mặc dù đề xuất này đơn giản và vừa khớp với thực tế, nhưng dường như toàn bộ câu chuyện không chỉ có vậy. Một sự điều chỉnh nhân tạo bề ngoài của các tham số là cần thiết để làm cho khối lượng hạt Higgs nhỏ đủ để mô hình làm việc được.

Có rất nhiều đề xuất để giải quyết vấn đề đặc biệt này, nhưng chúng lại đưa vào những rối rắm của riêng mình. Một ý tưởng, được thúc đẩy bởi một hiện tượng xuất hiện trong những chất siêu dẫn, là hạt Higgs xuất hiện như một trạng thái tới hạn. Ý tưởng này sẽ giải quyết vấn đề nhận được khối lượng đúng của nó, nhưng lại đòi hỏi hàng loạt những hạt và lực mới, mà cho đến giờ vẫn còn chưa ai thấy. Chúng sẽ được dò ra tại LHC. Cho đến bây giờ, những mô hình kiểu này đã vấp phải hàng loạt khó khăn, nhưng biết đâu rằng tự nhiên biết những thủ thuật mà những người xây dựng mô hình không biết.

Một ý tưởng tiến bộ hơn là “siêu đối xứng”, một cấu trúc đối xứng mới của các hạt cơ bản trong đó các biến số lượng tử bị hợp nhất với cấu trúc của không – thời gian. Đối xứng mới này ngăn chặn các tương tác hạt làm cho khối lượng hạt Higgs quá lớn nhưng, một lần nữa, tiên đoán thêm một loạt các hạt mới có thể được phát hiện với LHC, và cũng có thể là với Tevatron.

Siêu đối xứng là một ý tưởng về sự phá vỡ đối xứng điện yếu có một sự thành công đầy thuyết phục. Một quan hệ giữa tốc độ tương tác hạt khác nhau dựa trên siêu đối xứng đã được xác nhận tốt bằng thực nghiệm. Hơn nữa, những cố gắng đáng chú ý nhất của chúng ta cho một sự thống nhất hoàn thiện hơn các lực trong tự nhiên (“lý thuyết thống nhất lớn” và “thuyết dây”) thực sự chỉ làm việc khi siêu đối xứng được thừa nhận. Mặt khác, những mô hình siêu đối xứng nêu lên hàng hoạt những câu hỏi rối rắm mà những nhà xây dựng mô hình vẫn chưa thể có được câu trả lời thuyết phục. Nếu siêu đối xứng được xác nhận, khi đó việc học xem tự nhiên giải quyết những câu hỏi đó như thế nào có lẽ sẽ đem lại cho chúng ta những manh mối quyết định về một sự hiểu biết sâu hơn tự nhiên.

Những ý tưởng khác về sự phá vỡ đối xứng điện yếu thậm chí còn đi xa hơn nữa. Một ý tưởng liên kết vấn đề này với những chiều phụ thêm của không – thời gian, kích cỡ hạ nguyên tử, nhưng có thể quan sát được với các máy gia tốc. Phương pháp này có lẽ là một phỏng đoán vô căn cứ, nhưng sự thưởng phạt sẽ là sự phát hiện vĩ đại ra các chiều phụ thêm có thể đem lại cho chúng ta cơ hội có những kiểm tra thực nghiệm trực tiếp bản chất lượng tử của hấp dẫn và hố đen.

Cuối cùng, một dòng tư tưởng khác liên kết sự phá vỡ đối xứng điện yếu với năng lượng tối của vũ trụ, mà các nhà vũ trụ học đã phát hiện ra trong những năm vừa qua bằng cách quan sát sự giãn nở của vũ trụ đang gia tốc. Từ quan điểm này, người ta cố gắng liên hệ sự nhỏ bé tương đối của khối lượng hạt Higgs với sự nhỏ bé của năng lượng tối. Một phương pháp là nguyên lý vị nhân, theo đó năng lượng tối và khối lượng hạt Higgs nhận những giá trị khác nhau trong những phần khác nhau của vũ trụ, và chúng ta chắc chắn sống trong một miền mà chúng là đủ nhỏ để khiến cho sự sống là có thể có được. Nếu vậy, nhiều tính chất khác của vũ trụ mà chúng ta thường coi là cơ bản – chẳng hạn như khối lượng và tích lực của electron – có lẽ cũng là những yếu tố ngẫu nhiên phụ thuộc môi trường. Mặc dù tôi hy vọng rằng dòng tư tưởng này là không đúng, nó sẽ chắc chắn trở thành phổ biến nếu như thực nghiệm chỉ ra rằng sự phá vỡ đối xứng điện yếu bị chi phối bởi nội dung giáo khoa của mô hình chuẩn với một hạt Higgs và không gì thêm nữa.

Cho đến nay, không cái nào trong số những đề xuất lý thuyết trên về sự phá vỡ đối xứng điện yếu là thỏa mãn hoàn toàn. Hy vọng rằng, kết thúc thập kỷ này, những phát hiện thực nghiệm tại Tevatron và LHC sẽ giúp chúng ta đi đúng hướng. Nhưng tính đa dạng và phạm vi của những ý tưởng về sự phá vỡ đối xứng điện yếu đề xuất rằng giải pháp cho điều bí ẩn này sẽ xác định hướng đi tương lai cho vật lý hạt. n

Edward Witten tại Viện nghiên cứu cao cấp,

Ban Khoa học tự nhiên, Princeton,

New Jersey 08540, USA.

ĐỌC THÊM

. Gunion, J. F. et al. The Higgs Hunter’s Guide (Perseus Books, New York, 1990).

. Kane, G. Supersymmetry: Unveiling The Ultimate Laws Of Nature (Perseus Books, New York, 2001).

. Peskin, M. Beyond The Standard Model online athttp://arxiv.org/abs/hep-ph/9705479