[비즈한국] Có một giải thưởng được coi là chỉ dấu của giải Nobel, đó chính là Breakthrough Prize (Giải thưởng Đột phá). Các nhà điều hành tại Thung lũng Silicon đã trao giải thưởng này cùng với khoản tiền mặt lớn cho các nhà khoa học có đóng góp cho sự phát triển của khoa học. Người ta thường nói rằng, ai đạt được giải thưởng này thì khả năng cao sẽ nhận giải Nobel trong vòng vài năm tới.
Năm nay, giải thưởng đã thuộc về các nhà vật lý dẫn đầu thí nghiệm Muon g-2 tại máy gia tốc hạt. Phòng thí nghiệm quốc gia Fermi (Fermilab), nơi Giáo sư Kim Young-kee của Đại học Chicago từng giữ chức danh giám đốc danh dự, cũng được vinh danh. Đây là một tin tức hết sức tuyệt vời.
Những hỗn loạn xảy ra trong thế giới vi mô vô cùng nhỏ bé có thể trở thành những manh mối bất ngờ cho vật chất tối - bí ẩn của vũ trụ chưa có lời giải đáp từ lâu. Có lẽ những bí mật chưa được khai phá của macrocosmos (vũ trụ vĩ mô) khổng lồ đang ẩn giấu trong microcosmos (vũ trụ vi mô) nhỏ bé này. Mỗi lần bước qua một thế giới mới, chúng ta lại gặp gỡ một vũ trụ xa lạ với quy mô hoàn toàn khác biệt. Liệu thí nghiệm Muon g-2, nhân vật chính của giải Breakthrough năm nay, đang chứa đựng bí mật gì?
Sau khi hạt Higgs được tìm thấy, nhiều người đã nghĩ rằng: "Phải chăng chúng ta đã tìm thấy hầu hết các hạt quan trọng rồi?". Mô hình chuẩn (Standard Model) rất khớp với thực tế và các thí nghiệm ngày càng chính xác, nhưng không có hạt mới nào xuất hiện. Liệu thời đại phát kiến vĩ đại của vật lý hạt đã kết thúc? Tuy nhiên, vào năm 2021, một hạt siêu nhỏ đã khiến các nhà vật lý trên toàn thế giới phấn khích trở lại. Hạt đó có tên là Muon.
Muon giống như một người anh em họ nặng hơn của electron. Nó có cùng điện tích và spin với electron, và nhiều tính chất cũng rất tương đồng. Tuy nhiên, điểm quyết định là nó nặng hơn nhiều, khoảng 200 lần so với electron. Hơn nữa, nó rất không ổn định. Muon không phải là hạt tồn tại vĩnh viễn, nó chỉ tồn tại khoảng một phần triệu giây trước khi phân rã thành các hạt khác.
Muon cũng được tạo ra tự nhiên trong vũ trụ. Khi các hạt năng lượng cao được gọi là tia vũ trụ va chạm với bầu khí quyển Trái đất, Muon được tạo ra trong quá trình đó. Ngay lúc này, vô số hạt Muon đang được sinh ra và biến mất trong bầu khí quyển Trái đất. Chỉ là vì tuổi thọ của chúng quá ngắn nên chúng xuất hiện chốc lát rồi tan biến. Thoạt nhìn, ta có thể cảm thấy chúng là những hạt không quan trọng. Vậy tại sao các nhà khoa học lại ám ảnh với những hạt biến mất nhanh chóng như vậy? Đó là vì Muon là hạt cảm nhận rất nhạy bén không gian trống rỗng của vũ trụ.
Không gian trống rỗng mà chúng ta thường nghĩ đến là một khoảng không không có gì cả. Nhưng dưới góc độ cơ học lượng tử, chân không không bao giờ thực sự trống rỗng. Chân không giống như một thứ súp lượng tử vô hình. Trong đó, các hạt và phản hạt liên tục sinh ra và mất đi trong một khoảnh khắc ngắn ngủi. Cặp electron-positron có thể xuất hiện rồi biến mất, photon có thể xuất hiện rồi biến mất, và phức tạp hơn, các cặp quark-phản quark cũng có thể sinh ra và mất đi tức thời. Muon đi qua "thứ súp lượng tử" này và chịu ảnh hưởng từ nó. Electron cũng chịu ảnh hưởng, nhưng vì Muon nặng hơn electron rất nhiều nên nó nhạy cảm hơn. Vì vậy, Muon hoạt động giống như một chiếc kim thăm dò cho biết bên trong thứ súp vô hình đó chứa đựng những thành phần gì.
Các hạt như electron hay Muon có một tính chất cơ học lượng tử gọi là spin. Spin không có nghĩa là hạt đang quay như một con quay thực sự, nhưng nó tạo ra hiệu ứng tương tự như chuyển động quay nhỏ. Khi một hạt mang điện có spin, nó sẽ hành động giống như một thanh nam châm nhỏ. Tức là nó có mômen từ. Nói một cách thô sơ, Muon là một nam châm rất nhỏ. Vì vậy, khi đặt nó vào từ trường mạnh, hướng của nam châm nhỏ đó sẽ bị rung động. Nếu bạn quay một con quay, bạn có thể thấy trục của nó không đứng yên mà lắc lư chậm rãi. Đây được gọi là hiện tượng tiến động (precession). Muon cũng lắc lư tương tự trong từ trường. Giá trị thể hiện mức độ này được gọi là g.
Theo lý thuyết của Dirac những năm 1930, giá trị g của các hạt có spin 1/2 như electron hay Muon phải chính xác bằng 2. Lý thuyết thời bấy giờ dự đoán tính chất từ của các hạt cơ bản có điện tích và spin bằng con số 2 gọn gàng mà không cần giả định cấu trúc bên trong phức tạp. Tuy nhiên, vũ trụ luôn vượt quá mong đợi của chúng ta. Năm 1948, các nhà khoa học đã đo giá trị g của electron một cách cực kỳ chính xác. Kết quả không hoàn toàn bằng 2 mà là khoảng 2,00238. Lớn hơn 2 một chút. Sự khác biệt chỉ khoảng 0,1%. Nhưng trong vật lý, đây không phải là sai số có thể bỏ qua. Đây là lúc điện động lực học lượng tử xuất hiện.
Theo điện động lực học lượng tử, electron không tồn tại đơn độc. Chân không xung quanh electron được bao quanh bởi một đám mây các hạt sinh ra và mất đi tức thời. Điện trường gần electron rất mạnh, và năng lượng đó có thể tạo ra các cặp hạt và phản hạt trong thời gian ngắn. Cặp electron-positron sinh ra rồi mất đi, photon được phát ra rồi bị hấp thụ lại. Trong thế giới hạ nguyên tử, không gian xung quanh electron hoặc Muon có thể trông giống như một khu rừng với những con đom đóm nhấp nháy. Các hạt xuất hiện rồi biến mất, sự tồn tại ngắn ngủi đó làm thay đổi rất nhỏ tính chất từ của hạt ban đầu. Vì vậy, g không chính xác bằng 2, mà lớn hơn 2 một chút.
Các nhà khoa học gọi phần dư nhỏ này là mômen từ bất thường (anomalous magnetic moment). Công thức thường được viết là a=(g-2)/2. Đúng như tên gọi, đó là giá trị g trừ đi 2 rồi chia cho 2. Cái tên Muon g-2 cũng bắt nguồn từ đây. Việc g lệch khỏi 2 bao nhiêu cho thấy Muon tương tác với chân không lượng tử xung quanh như thế nào. Và bên trong chân không lượng tử đó chứa đựng tác động của tất cả các hạt có trong Mô hình chuẩn. Photon, electron, positron, boson W, boson Z, quark, gluon đều đóng góp một phần nhỏ.
Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven đã đo giá trị g-2 của Muon rất chính xác vào những năm 1990 và đầu những năm 2000. Kết quả gần như hoàn hảo với các tính toán của Mô hình chuẩn. Hầu như tất cả các chữ số đều khớp. Tuy nhiên, vẫn có sự khác biệt ở các chữ số hàng thập phân thứ tám hoặc thứ chín. Xét trong cuộc sống hàng ngày, đó là sự khác biệt nhỏ đến mức phi lý. Nó có thể so sánh với việc dự đoán chu vi Trái đất mà sai số chỉ khoảng 10-30 cm. Nhưng trong vật lý hạt, sự khác biệt này cũng không thể bỏ qua.
Thí nghiệm của Fermilab đã tái sử dụng chiếc vòng chứa từ tính khổng lồ mà Brookhaven từng sử dụng. Chiếc vòng này là một thiết bị hình tròn khổng lồ với đường kính 50 feet, khoảng 15 mét. Để vận chuyển thiết bị này từ Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Long Island đến Fermilab ở Batavia, Illinois, các nhà nghiên cứu đã không đi thẳng bằng đường bộ. Vì thiết bị quá lớn và nhạy cảm, họ đã phải vận chuyển qua đường biển và đường sông, và cuối cùng là đặt lên một chiếc xe tải khổng lồ để đưa đến Fermilab.
Fermilab tạo ra các Muon năng lượng cao, sau đó bắn những Muon này vào một chiếc vòng tròn có từ trường mạnh. Các Muon quay nhanh trong vòng và bị rung động do từ trường. Tần số của sự rung động này, tức là tốc độ tiến động, cho biết mômen từ của Muon. Nhưng Muon không sống lâu. Nó phân rã sau khoảng 1/1.000.000 giây. Trong khoảng thời gian ngắn đó, chúng có thể quay hàng trăm vòng, nhưng cuối cùng sẽ phân rã thành các hạt như electron hoặc positron. Các máy dò xung quanh thiết bị thí nghiệm đo năng lượng và hướng của các hạt sinh ra từ sự phân rã này, từ đó suy ngược lại cách Muon ban đầu đã rung động.
Thí nghiệm này phải cực kỳ chính xác. Chỉ cần từ trường sai lệch một chút cũng không được. Việc đo thời gian của máy dò chỉ cần chệch một chút cũng không được. Hình dạng chùm tia Muon, hiệu chỉnh điện trường, dao động theo phương thẳng đứng, sai số hệ thống đều phải được kiểm soát. Vì vậy, thí nghiệm Muon g-2 tại Fermilab được thực hiện theo phương pháp mù (blind analysis).
Kết quả đầu tiên của Fermilab vào năm 2021 khớp rất tốt với kết quả của Brookhaven. Kết quả từ cả hai nơi đều cho thấy sự khác biệt khoảng 4,2 sigma so với giá trị lý thuyết đại diện của Mô hình chuẩn thời bấy giờ! Mặc dù chưa đạt đến ngưỡng 5 sigma để được công nhận là một phát hiện mới, nhưng đây chắc chắn là một sự khác biệt không thể coi nhẹ. Khoảng cách chưa được giải đáp này có ý nghĩa gì?
Tại đây, một khái niệm thú vị khác lại xuất hiện: Leptoquark. Thông thường, Lepton và Quark được coi là các loại hạt khác nhau. Electron và Muon là Lepton, các hạt cơ bản không chịu ảnh hưởng của lực hạt nhân mạnh. Quark là các hạt cơ bản tạo nên proton và neutron. Nhưng Leptoquark là một loại hạt giả thuyết có tính chất của cả hai loại này cùng một lúc. Cuộc cách mạng lượng tử từng khiến việc phân biệt giữa hạt và sóng trở nên vô nghĩa, nay lại một lần nữa cố gắng phá vỡ ranh giới giữa Lepton và Quark ngay trong Mô hình chuẩn. Thật đáng sợ khi tưởng tượng xem còn bao nhiêu thực thể kỳ dị ẩn giấu đằng sau vũ trụ này. Nếu hạt giả thuyết này thực sự tồn tại, nó có thể đối xử hơi bất công với electron và Muon trong quá trình phân rã.
Trong Mô hình chuẩn, có một nguyên lý gọi là "tính phổ quát của lepton" (lepton universality). Tư tưởng ở đây là dù electron, muon và tau có khối lượng khác nhau, phương thức tương tác cơ bản của chúng phải như nhau. Do đó, ngoại trừ hiệu ứng khối lượng đặc biệt, tỷ lệ của một quá trình dẫn đến cặp electron và cặp muon phải bằng nhau. Tuy nhiên, kết quả phân tích dữ liệu từ LHCb tại máy gia tốc hạt lại không cân bằng một cách bất ngờ. Các phân rã dẫn đến Muon ít hơn so với electron. Không phải là 1:1, mà phân rã dẫn đến Muon chỉ khoảng 0,8.
Nếu điều này là sự thật, điều đó có nghĩa là vũ trụ đang đối xử khác biệt giữa electron và Muon. Nó có xu hướng thiên vị electron và thích tạo ra electron nhiều hơn. Nhưng điều này khó có thể hiểu được trong Mô hình chuẩn hiện tại. Vì vậy, thậm chí còn xuất hiện cách giải thích rằng đó là do một lực thứ năm khác vượt ra ngoài bốn lực cơ bản hiện tại.
Việc Mô hình chuẩn không hoàn hảo là sự thật đã được biết đến. Mô hình chuẩn không giải thích được vật chất tối. Nó cũng không giải thích được tại sao vũ trụ lại chứa nhiều vật chất mà gần như không có phản vật chất. Tại sao hạt Higgs lại nhẹ như vậy vẫn còn là một bí ẩn sâu sắc. Chúng ta cũng chưa hiểu hoàn toàn cách các lực hợp nhất ở năng lượng cao. Vì vậy, các nhà vật lý tin rằng vật lý mới phải tồn tại ở đâu đó. Chỉ là chưa biết nó nằm ở đâu và lộ diện theo cách nào. Muon g-2 là thí nghiệm đã mở ra một cánh cửa cho khả năng đó.
Tham khảo
https://muon-g-2.fnal.gov/
Tác giả Ji Ung-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh đang là giáo sư trợ lý tại Khoa Tự do, Đại học Sejong, đồng thời tham gia các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như thuyết trình và viết sách. Anh là tác giả của các cuốn sách như "Mỗi ngày một mảnh vũ trụ", "Các nhà khoa học vũ trụ dưới những vì sao", "Không thể tới nhưng có thể hiểu", "Những câu hỏi kỳ lạ xuất hiện khi nhìn lên vũ trụ"... và đã dịch các cuốn sách như "Hướng dẫn du lịch vũ trụ cho người quá giang", "Tại sao tôi vô tình tiêu diệt sao Diêm Vương", "Quantum Life", "Cosmigraphics".