Xác định
Lực cơ bản thứ 5 của Tự nhiên

Phạm Xuân Yêm

Ở đoạn kết trong cuốn Kỷ yếu "Hạt Higgs và Mô hình Chuẩn, cuộc phiêu lưu kỳ thú của Khoa học¹ ", tác giả bài này viết : Việc khám phá ra hạt Higgs ở CERN với giải Nobel Vật lý 2013 mở một chương mới trong khoa học vì đây là lần đầu tiên con người khám phá ra một lực mới lạ mang khối lượng cho vật chất, ta có thể coi nó như lực cơ bản thứ năm của Tự nhiên² bên cạnh bốn lực cơ bản quen thuộc là Hấp dẫn, Điện-từ, Hạt nhân mạnh, Phân rã yếu. Tuy nhiên vì ngần ngại chưa chắc chắn lực mới đó có xứng đáng được đặt trên cùng một bình diện ngang hàng với bốn lực cơ bản đã biết nên tác giả tự đặt cho mình câu hỏi tiếp : Tuy trường Higgs truyền khối lượng cho vạn vật, nhưng cái gì mang lại cho chính hạt Higgs cái khối lượng 126 GeV/c² mà máy gia tốc đối chùm LHC khám phá ra?

Tác giả Phạm Việt Hưng ở Úc, với bài Câu chuyện ‘Hạt của Chúa’ đã kết thúc ? cũng đăng trong cuốn Kỷ yếu trên, đã bình giải câu hỏi đó như sau : Thực vậy, khối lượng của các hạt được giải thích bởi sự tương tác giữa chúng với trường Higgs, nhưng chính hạt Higgs thì tương tác với ‘ai’ để có khối lượng ?

Như món quà mừng xuân năm mới Kỷ Hợi thân kính tặng GS. Chu Hảo, chủ nhiệm nhà xuất bản Tri Thức, nội dung bài viết này là xác định (thay thế cho có thể ở trên) bằng cách chỉ định cái ‘‘ai’ đó là gì, cường độ tương tác bằng bao nhiêu và kết luận là trường Higgs thực sự đại diện cho lực cơ bản thứ 5 mới lạ, cũng như graviton đại diện cho lực hấp dẫn, photon cho lực điện-từ, keo (gluon) cho lực hạt nhân mạnh, và W, Z cho lực phân rã yếu.

Đơn giản xin nhắc lại điều mà chúng ta đều nhớ ở lớp cuối Trung học là định luật vạn vật hấp dẫn (giữa hai khối lượng khác nhau M và m ở cách nhau một khoảng cách không gian R) được diễn tả bởi tích số của M với m rồi chia cho R bình phương, tất cả cuối cùng lại nhân thêm với hằng số tương tác Newton G_N. Với điện-từ ta có lực mang tên Lorentz, ở đây hằng số tương tác là điện tích phổ quát e của electron . Cũng vậy với hai lực hạt nhân mạnh và yếu, mỗi lực lại có một hằng số tương tác thích ứng. Khi chúng được lượng tử hóa với nguyên lý bất định Heisenberg, phương pháp và chi tiết tính toán dĩ nhiên sẽ phức tạp hơn, nhưng những kết luận của bài này để xác định lực Higgs là cơ bản (ngang hàng với bốn lực khác) không hề thay đổi bởi những phức tạp đó.

Tóm lại là mỗi lực đều có một định luật riêng diễn tả sự tương tác ra sao và có một hằng số tương tác thích ứng để định lượng chính xác tất cả các đo lường đong đếm thực nghiệm hoặc tiên đoán các hiện tượng mới mẻ. Ngoài ra ba định luật lượng tử cơ bản là điện-từ, hạt nhân mạnh và phân rã yếu đều có chung một thuộc tính quan trọng, đó là vật chất (tượng trưng bởi quark và lepton) tương tác với nhau qua sự trao đổi theo thứ tự ba trường photon, keo và W,Z, điều mới mẻ nữa là chúng còn phải trao đổi thêm với trường vô hướng Higgs để có khối lượng. Trường hợp chưa được lượng tử hóa của thuyết cổ điển Tương đối rộng Einstein thay thế thuyết hấp dẫn Newton có khác một điểm là ta ít đề cập đến lực mà quan tâm nhiều đến độ cong của không-thời gian. Tuy nhiên khái niệm hằng số tương tác là hoàn toàn cần thiết để định lượng cường độ của lực, mỗi lực cơ bản đều có riêng một hằng số tương tác của nó, thuyết Tương đối rộng vẫn tiếp tục cần đến hằng số Newton G_N để tính toán đo lường. Nên nhấn mạnh là cho đến thời điểm hiện tại, trị số của các hằng số tương tác đều do thực nghiệm cung cấp bởi sự đo lường những đại lượng vật lý tương ứng, không có lý thuyết thuần túy nào cho được những hằng số đó có giá trị là bao nhiêu mà không dùng thực nghiệm.

Như vậy để trả lời câu hỏi là lực Higgs có cơ bản hay không, ta cần xác định hai điều : thứ nhất "định luật nội tại của nó tương tác ra sao" và thứ hai "hằng số tương tác là bao nhiêu". Về định luật thì trường Higgs với bốn thành phần chúng tự tương tác (self interact), trao đổi riêng tư với nhau, ba trong bốn thành phần đó mang khối lượng cho ba boson của lực yếu W⁺, W^-, Z rồi biến mất. Thành phần thứ tư trực giao với photon của điện-từ chính là hạt Higgs vô hướng có khối lượng bằng 126 GeV/c² mà LHC đầu tiên đo lường được vào ngày 4 tháng 7 năm 2012. Còn hằng số tương tác là một đại lượng không thứ nguyên (dimensionless) được xác định bằng 0.128, con số này tác giả tính ra dựa vào khối lượng 126 GeV/c² , biết vậy nhưng chẳng công bố vì quá hiển nhiên đối với những người trong ngành vật lý hạt. Cách tính này cũng giống như cách tính hằng số Newton dựa vào gia tốc g = 9.81 m/s² của trọng trường trái đất đo lường cách đây vài trăm năm rồi bởi Galilei.

Trong khi bốn lực cơ bản quen thuộc nối kết vật chất quark, lepton với nhau qua sự trao đổi các trung gian sứ giả là graviton, photon, gluon, W, Z thì lực cơ bản thứ 5 lại khép kín, bốn thành phần của trường Higgs tác động riêng tư với nhau, chúng tự tương tác với hằng số 0.128 để mang khối lượng cho hạt Higgs còn sót lại.

Lực Higgs này gợi ra một cách tiếp cận mới mẻ về khối lượng, khác với quan điểm cố hữu từ thời Newton xa xưa coi khối lượng là một tham số cho trước bởi tự nhiên, một tiên nghiệm theo nghĩa của Kant, mà không cần hay biết nguồn gốc sâu xa. Mô hình chuẩn bảo cho ta là khối lượng của vạn vật được tạo ra bởi sự tương tác của chúng với hạt vô hướng Higgs (spin 0, trung hòa điện tích, khối lượng 126 GeV/c²) tràn đầy vũ trụ từ thuở hồng hoang sau vụ Nổ lớn. Khởi thủy tất cả đều không có khối lượng, do sự tương tác với trường Higgs mà vật chất mang khối lượng. Quan niệm về khối lượng cần phải đổi khác từ nay, sự tương tác của vạn vật với hạt Higgs trong chân không lượng tử,³ một vũ đài náo nhiệt, mới chính là cội nguồn mang năng-khối lượng cho chúng. Có một điều chắc chắn là nếu trường Higgs không hiện diện thì mọi vật trong cuộc sống sẽ không có khối lượng, giống như photon của ánh sáng thuần khiết và thế giới sẽ không như nó đang là.

Khoảng vài năm nay dẫu các sách giáo khoa vật lý ở lớp cuối Trung học phổ thông nhiều nơi trên thế giới đã có mấy chương dành cho 2 lực cơ bản hấp dẫn và điện-từ thêm vào thuyết Tương đối hẹp thậm chí cả lượng tử, nhưng cuộc cách mạng vật lý của thế kỷ với khái niệm mới lạ về khối lượng và sự hiện hữu tất yếu của lực cơ bản thứ 5 thì hầu như đại đa số các nhà vật lý đều chưa nhận thức được. Đâu có gì ngạc nhiên vì nó còn quá mới. Tuy nhiên như nhà vật lý lý thuyết Sidney Coleman ở Đại học Harvard khuyến khích các sinh viên là mọi thứ đều có thể hiểu được :’’Không phải Chúa biết, tôi biết, mà cuối học kỳ các bạn cũng sẽ biết’’ để "cho nghìn sau giao hưởng với nghìn xưa"⁴.

P. X. Y.

Nguồn : Tác giả gửi cho Diễn Đàn (29.01.2019)

Phụ chú

1. Kỷ yếu với nhóm chủ biên Cao Chi, Chu Hảo, Pierre Darriulat, Nguyễn Xuân Xanh, Phạm Xuân Yêm, nxb Tri Thức (2014).

2.  https://www.diendan.org/khoa-hoc-ky-thuat/hat-higgs-luc-co-ban-5

3. Cái Không cũng như cái Vô hạn là hai khái niệm tuyệt vời không ngừng xuất hiện dưới nhiều hình thức trong các lãnh vực khác nhau của tư tưởng con người.

Coi

1 – Phạm Xuân Yêm "Cái Không trong Lượng tử" 

2 – Trịnh Xuân Thuận "La Plénitude du Vide"; nxb Albin Michel (2016), bản dịch của Phạm Văn Thiều-Phạm Việt Hưng "Sự Đầy của cái Không"; nxb Trẻ (2018).

3 –Cao Huy Thuần, "Thì Thầm" của Sắc-Không kết hợp

4. Chép mượn Hồ Dzếnh.