Ngày 28/8/2018 vừa qua, các nhà khoa học làm việc tại dự án máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới LHC, tại Trung tâm Nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN – Geneva, Thụy Sỹ), đã thông báo về việc lần đầu tiên quan sát thấy sự phân rã của hạt Higgs thành một cặp hạt và phản hạt quark đáy (bottom quark). Điều ngạc nhiên là hạt Higgs chủ yếu phân rã theo cách này.

(ảnh minh họa: Shutterstock)
Thông tin này cho thấy một sự thống nhất cao giữa những dự đoán lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm, điều này củng cố một cách vững chắc cơ sở lý thuyết cho lý do tồn tại của hạt Higgs.

Video tìm hiểu về hạt Higgs - "Hạt của chúa"

Cuộc tìm kiếm các hạt quark đáy


Máy gia tốc hạt lớn (LHC) (Ảnh: Flickr)

Các hạt Higgs được tạo ra trong các va chạm năng lượng cao giữa các cặp hạt đã được gia tốc tới gần với tốc độ ánh sáng. Những hạt này không tồn tại lâu, chúng chỉ tồn tại ở mức 10^-22 giây. Một hạt với tuổi thọ như vậy, di chuyển với tốc độ ánh sáng, sẽ phân rã trước khi nó di chuyển đủ một khoảng cách có kích thước một nguyên tử. Do đó, không thể quan sát trực tiếp được hạt Higgs. Chỉ có thể quan sát được các sản phẩm phân rã của của chúng và sử dụng chúng để suy ra các đặc tính của các hạt mẹ.

Các hạt Higgs có khối lượng 12 giga electron vol (GeV) hoặc nặng bằng khoảng 133 lần một proton. Các tính toán từ lý thuyết được thực hiện trước đó dự đoán rằng hạt Higgs phân rã thành các cặp hạt theo tỷ lệ phần trăm như sau: quark đáy (58%), hạt W (21%), hạt Z (6%), các hạt lepton (2,6%) và các photon (0,2%). Còn lại một số cấu hình ngoại lai khác tạo ra phần còn lại.

Một trong những kết quả quan trọng của phát hiện lần này là khẳng định các dự đoán là chính xác cho hạt quark đáy.

Khi các nhà vật lí thông báo về việc phát hiện hạt Higgs năm 2012, họ dựa trên sự phân rã hạt Higgs thành hạt Z, hạt W và photon chứ không phải hạt quark đáy. Nguyên nhân là rất đơn giản: các phân rã đặc biệt này dễ xác định hơn nhiều.

Với các năng lượng va chạm có sẵn tại máy gia tốc LHC, xác suất được để tạo ra một hạt Higgs là 1 phần tỷ (1 tỷ va chạm mới có một va chạm sinh ra hạt Higgs). Số lượng va chạm lớn tại máy gia tốc LHC xảy ra qua sự tương tác của lực hạt nhân mạnh, là loại lực mạnh nhất của các lực hạ nguyên tử và có vai trò giữ các hạt nhân nguyên tử với nhau.

Vấn đề là trong các tương tác liên quan đến lực mạnh, việc tạo ra một cặp hạt-phản hạt của hạt quark đáy thực sự là khá phổ biến. Vì vậy, việc tạo ra các hạt quark đáy bởi sự phân rã của các hạt Higgs hoàn toàn bị tràn ngập bởi các cặp hạt quark được tạo ra bằng các tiến trình thông thường khác. Theo đó, về cơ bản là không thể xác định được các sự kiện mà trong đó sự phân rã các hạt Higgs tạo ra hạt quark đáy. Nó giống như việc cố gắng tìm một viên kim cương tự nhiên trong một thùng lớn đựng đầy các viên kim cương nhân tạo.

Bởi vì rất khó hoặc thậm chí không thể cách ly các va chạm mà trong đó các hạt Higgs phân hủy thành các hạt quark đáy, các nhà khoa học cần một cách tiếp cận khác. Các nhà nghiên cứu tìm kiếm một loại sự kiện khác – các va chạm mà ở đó các hạt Higgs được tạo ra đồng thời với các hạt W và Z. Các nhà nghiên cứu gọi loại va chạm này là “sản xuất kết hợp” (association production).

Mô phỏng sự kiện va chạm proton-proton trong LHC của CMS có đặc điểm của một hạt Higgs phân rã thành 2 quark đáy. Trong khi đây là một phân rã phổ biến của hạt Higgs, dấu hiệu của nó rất khó tách biệt với các sự kiện tương tự (ảnh: CMS)
Máy gia tốc LHC có hai máy dò hạt vật lí lớn có khả năng quan sát các hạt Higgs – là Compact Muon Solenoid (CMS) và A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS). Cả 2 phòng thí nghiệm đã phối hợp đồng thời tuyên bố về quá trình sản xuất kết hợp của các hạt Higgs, với sự phân rã cụ thể của hạt Higgs thành một cặp quark đáy hạt và phản hạt.
Một lý thuyết quan trọng

Quá trình phát hiện ra hạt Higgs theo cách quan sát khá đơn giản là tiến bộ đáng kể trong qua khoa học, nhưng nó còn có một kết quả quan trọng hơn. Nó chỉ ra rằng trường Higgs, được nói đến vào năm 1964 không chỉ được thúc đẩy bởi một lý thuyết nền tảng. Nó đã được đưa vào Mô hình Chuẩn, trong đó mô tả hành vi của các hạt hạ nguyên tử. (Trước khi trường Higgs được đề xuất, Mô hình Chuẩn đã dự đoán rằng các hạt không có khối lượng. Sau khi trường Higgs được đưa vào như là một bổ sung đặc biệt cho Mô hình Chuẩn, các hạt giờ đây đã có khối lượng). Vì vậy, rất cần khám phá những dự đoán về xác suất phân rã để tìm kiếm các gợi ý liên kết đến lý thuyết cơ bản. Và gần đây đã có nhiều lý thuyết toàn diện hơn được phát triển từ những năm 1960, dự đoán rằng có thể sẽ có hơn một loại hạt Higgs tồn tại.

Vì vậy, rất cần hiểu được tốc độ mà hạt Higgs phân ra thành các hạt khác và so sánh với tốc độ phân rã đã được dự đoán. Cách dễ nhất để minh họa sự thống nhất là báo cáo về tốc độ phân rã được quan sát, chia cho tốc độ dự đoán. Sự thống nhất tốt nhất giữa 2 tốc độ sẽ cho giá trị gần bằng 1.
Thí nghiệm của CMS tìm thấy sự thống nhất tuyệt vời trong báo cáo gần đây, với tỉ lệ giữa dự đoán và quan sát thực tế là 1,04 ± 0,2 và kết quả đo đạc của ATLAS là rất tương tự (1,01 ± 0,2). Sự thống nhất ấn tượng này là một chiến thắng của lý thuyết hiện tại, mặc dù nó không chỉ ra được một phương hướng để hướng tới một nguồn gốc cơ bản hơn cho các hiện tượng của hạt Higgs.

nguồn: trithucvietnam.vn