Vật lý hạt sau va chạm cuối cùng

Liệu chúng ta có xây dựng một máy va chạm kế nhiệm cho LHC không. Một ngày nào đó, chúng ta sẽ chạm tới giới hạn thực sự mà các thí nghiệm có thể thăm dò. Nhưng đó sẽ không phải là hồi kết.

Từ những năm 1800, các hạt năng lượng cao đã thăm dò bản chất nền tảng của vật chất.

Thí nghiệm lá vàng của Rutherford

Thí nghiệm lá vàng của Rutherford cho thấy nguyên tử phần lớn là khoảng trống, nhưng có một nơi tập trung khối lượng tại một điểm lớn hơn nhiều so với khối lượng của hạt alpha: hạt nhân nguyên tử. Bằng cách quan sát rằng một số hạt phóng xạ phát ra bị nảy ngược lại, hoặc bật lệch theo một hướng khác so với hướng phát ban đầu, Rutherford đã chứng minh sự tồn tại của một hạt nhân nguyên tử gọn và nặng.

Bằng cách bắn phá vật chất bằng các hạt khác, chúng ta thăm dò cấu trúc bên trong của chúng.

Sự hủy cặp vật chất – phản vật chất

Sự tạo thành các cặp vật chất – phản vật chất (bên trái) từ hai photon là một phản ứng hoàn toàn có thể đảo ngược (bên phải), trong đó vật chất – phản vật chất hủy nhau trở lại thành hai photon. Quá trình tạo – hủy này, tuân theo E = mc², là cách duy nhất đã biết để tạo ra và tiêu hủy vật chất hoặc phản vật chất. Nếu tia gamma năng lượng cao va chạm với các hạt khác, sẽ có xác suất tạo ra cặp electron – positron, làm giảm thông lượng tia gamma quan sát được ở khoảng cách rất xa.

Ở những mức năng lượng lớn hơn nữa, chúng ta tạo ra các lượng tử mới thông qua E = mc² của Einstein.

Victor Hess và khinh khí cầu

Bằng việc đưa khinh khí cầu lên những độ cao lớn, cao hơn nhiều so với việc đi bộ, leo núi hay lái xe đến bất kỳ địa điểm nào, nhà khoa học Victor Hess đã dùng máy dò để chứng minh sự tồn tại và làm rõ thành phần của tia Vũ trụ. Ở nhiều khía cạnh, những chuyến thám hiểm ban đầu này, từ năm 1912, đánh dấu sự ra đời của vật lý thiên văn tia Vũ trụ.

Các thí nghiệm sớm với tia Vũ trụ lần đầu tiết lộ những hạt nặng, không ổn định của Mô hình Chuẩn.

Phát hiện muon đầu tiên

Hạt muon đầu tiên từng được phát hiện, cùng với các hạt tia Vũ trụ khác, được xác định có điện tích như electron nhưng nặng hơn hàng trăm lần, dựa trên vận tốc và bán kính cong. Muon là hạt đầu tiên của các thế hệ nặng hơn được khám phá, từ những năm 1930.

Rồi máy gia tốc và máy va chạm ra đời, hé lộ bí mật của tự nhiên ở mức năng lượng cao hơn nữa.

Buồng bọt Fermilab

Các vệt trong buồng bọt ở Fermilab cho thấy điện tích, khối lượng, năng lượng và động lượng của các hạt và phản hạt được tạo ra. Điều này tái hiện điều kiện tương tự thời Vụ nổ lớn, nơi vật chất và phản vật chất đều có thể được tạo ra từ năng lượng thuần túy. Ở mức năng lượng cao nhất, mọi hạt và phản hạt đều có thể được tạo thành, nhưng ở mức năng lượng tương ứng với nhiệt độ chỉ khoảng ~10 tỷ K, các cặp electron – positron vẫn có thể tự phát sinh.

Khi biên giới năng lượng tiến lên, ngày càng nhiều thành phần của Mô hình Chuẩn được hé lộ.

Biểu đồ các hạt và tương tác

Biểu đồ này về các hạt và tương tác cho thấy các hạt của Mô hình Chuẩn tương tác theo ba lực cơ bản mà lý thuyết trường lượng tử mô tả. Khi thêm trọng lực vào bức tranh, chúng ta thu được Vũ trụ quan sát được, với những định luật, tham số và hằng số mà ta biết đang chi phối nó. Tuy nhiên, nhiều tham số mà tự nhiên tuân theo không thể tiên đoán bằng lý thuyết; chúng phải được đo mới biết, và đó là những hằng số mà Vũ trụ của chúng ta cần đến, theo hiểu biết tốt nhất hiện nay.

Cuối cùng, trong thập niên 2010, boson Higgs được phát hiện tại Máy Va Chạm Hadron Lớn (LHC), khép lại Mô hình Chuẩn.

Phát hiện trực tiếp Higgs đầu tiên.

Phát hiện mạnh mẽ ở mức 5 – sigma về boson Higgs được cả hai cộng tác CMS và ATLAS công bố cách đây vài năm. Nhưng boson Higgs không tạo ra một gai đơn lẻ trong dữ liệu, mà là một bướu trải rộng do độ bất định vốn có về khối lượng của nó. Khối lượng 125 GeV/c² của nó là một câu đố cho lý thuyết, nhưng với các nhà thực nghiệm thì không đáng lo: nó tồn tại, chúng ta có thể tạo ra nó, và giờ có thể đo lường, nghiên cứu các thuộc tính của nó. Phát hiện trực tiếp là hoàn toàn cần thiết để chúng ta có thể khẳng định dứt khoát điều đó.

Nhiều người hy vọng xây dựng các máy va chạm mới, mạnh hơn, nhằm khai quật thêm những bí mật về hiện thực.

Bên trong LHC

Sâu dưới lòng đất, đường hầm này là một phần nội thất của LHC, nơi các proton lướt qua nhau ở vận tốc 299.792.455 m/s khi chuyển động ngược chiều trên quỹ đạo: chỉ chậm hơn tốc độ ánh sáng 3 m/s. Các máy gia tốc như LHC gồm những đoạn hốc gia tốc, nơi áp dụng điện trường để tăng tốc các hạt bên trong, cũng như các đoạn uốn vòng, nơi áp dụng từ trường để hướng các hạt chuyển động nhanh vào hốc gia tốc kế tiếp hoặc đến điểm va chạm. Nguồn: Maximilien Brice và Julien Marius Ordan, CERN

Đó có thể là một máy va chạm thẳng: thăm dò tinh vi các hạt nặng, không ổn định.

Mặc dù có nhiều đề xuất mới cho các máy va chạm, gồm ở Trung Quốc, tại CERN và tại Fermilab, thì việc chọn xây một máy tròn, một máy va chạm lepton thẳng, hay theo đuổi một máy va chạm muon mới vẫn còn là các phương án trên bàn. Trong một thế giới lý tưởng, chúng ta sẽ có một máy thẳng để nghiên cứu Higgs và pha chuyển điện yếu với độ chính xác cao, rồi một máy tròn để va chạm hadron ở năng lượng cao hơn nữa. Nhưng kinh phí, thực tế chính trị và dư luận cũng sẽ đóng vai trò lớn trong các quyết định.

Đó cũng có thể là một máy va chạm tròn, tiến xa hơn bao giờ hết vào biên giới năng lượng.

Máy va chạm vòng tròn tương lai – Future circular collider (màu xanh) sẽ giao nhau một phần với LHC hiện tại, nhưng cần thêm một vòng (và đường hầm) có chu vi trên dưới 80 km: vượt trội so với chu vi 27 km của LHC. Để có máy va chạm hadron năng lượng cao hơn, cần đường hầm lớn hơn và nam châm mạnh hơn; đề xuất của FCC là nam châm ~16 T, xấp xỉ gấp đôi cường độ nam châm hiện tại của LHC.

Một ngày nào đó, chúng ta thậm chí có thể xây một máy va chạm bao quanh Trái Đất: mạnh hơn LHC hàng nghìn lần.

Một vệ tinh bay quanh Trái Đất trên nền không gian; phía dưới, độ cong và các dải mây của Trái Đất hiện rõ, khiến hành tinh của chúng ta trông càng rộng lớn.

Minh họa này cho thấy một vòng giả định bao quanh Trái Đất, có thể tượng trưng cho một máy gia tốc hạt còn lớn hơn cả chu vi Trái Đất. Với bán kính xấp xỉ ~1.500 lần của LHC, một máy gia tốc như vậy, ngay cả khi công nghệ nam châm chỉ tiến bộ thêm đôi chút, cũng sẽ mạnh hơn hàng nghìn lần. Một máy gia tốc chỉ mạnh hơn LHC khoảng ~10 lần cũng có thể soi sáng lớn cho bài toán bất đối xứng vật chất – phản vật chất.

Đến một lúc nào đó, tuy nhiên, sẽ có giới hạn cho mức năng lượng mà các máy va chạm có thể đạt tới một cách thực dụng.

Tia Vũ trụ từ blazar

Trong hình dựng nghệ thuật này, một lỗ đen siêu nặng đang hoạt động với tia phun hướng về phía chúng ta (blazar) gia tốc proton tới năng lượng cực độ, sinh pion làm hạt con, rồi từ đó tạo ra neutrino và tia gamma. Các sự kiện cực đoan về năng lượng được cho là phát sinh từ những quá trình diễn ra quanh các lỗ đen siêu nặng lớn nhất trong Vũ trụ khi chúng đang ăn vật chất. Năng lượng của các tia Vũ trụ này vượt xa mức đạt được bởi các máy gia tốc dưới mặt đất.

Tuy vậy, Vũ trụ tạo ra các tia Vũ trụ vượt quá ~10^11 GeV: gấp hàng triệu lần năng lượng tối đa của LHC.

Phổ năng lượng của các tia Vũ trụ năng lượng cao nhất

Phổ năng lượng của các tia Vũ trụ năng lượng cao nhất, theo các cộng tác phát hiện chúng. Kết quả nhất quán cao giữa các thí nghiệm, và cho thấy sự sụt giảm đáng kể tại ngưỡng GZK khoảng ~5 × 10^19 eV. Dẫu vậy, nhiều tia Vũ trụ vẫn vượt ngưỡng này, gợi ý rằng những tia nặng nhất nhiều khả năng là các hạt nhân nặng, thay vì proton trần phổ biến hơn.

Sau khi chiếc máy va chạm cuối cùng hoàn tất, các tia Vũ trụ hiếm, siêu năng lượng vẫn sẽ tiếp tục hé lộ bí mật của Vũ trụ.

Ấn tượng nghệ thuật về một tia Vũ trụ siêu năng lượng

Vào tháng 5 năm 2021, tia Vũ trụ có năng lượng đứng nhì từng được phát hiện đã đâm vào Trái Đất, tạo nên một cơn mưa hạt được cộng tác Telescope Array ghi nhận trên mặt đất. Các hạt này đạt năng lượng lớn hơn mức tối đa của LHC hơn cả triệu lần, đến mức sau khi nhân loại xây chiếc máy va chạm cuối cùng, biên giới năng lượng vẫn còn có thể tiếp cận từ không gian, dù cực kỳ hiếm.