"Bạn có thể làm nhanh chóng, bạn có thể làm điều đó với chi phí rẻ, hoặc bạn có thể làm đúng. Chúng tôi đã làm đúng." Đây là một số phát biểu mở đầu của David Toback, lãnh đạo của Máy dò va chạm tại Fermilab, khi ông công bố kết quả của một thí nghiệm decadelong để đo khối lượng của một hạt được gọi là boson W.
Tôi là một nhà vật lý hạt năng lượng cao và tôi là thành viên của nhóm hàng trăm nhà khoa học đã chế tạo và điều hành Máy dò va chạm tại Fermilab ở Illinois - được gọi là CDF.
Sau hàng nghìn tỷ lần va chạm và nhiều năm thu thập dữ liệu và thu thập số liệu, nhóm CDF nhận thấy rằng boson W có khối lượng lớn hơn một chút so với dự kiến . Mặc dù sự khác biệt là rất nhỏ, nhưng kết quả được mô tả trong một bài báo đăng trên tạp chí Khoa học ngày 7 tháng 4 năm 2022, đã điện hóa thế giới vật lý hạt . Nếu phép đo là chính xác, thì đó lại là một tín hiệu mạnh mẽ khác cho thấy câu đố vật lý về cách thức hoạt động của vũ trụ còn thiếu sót.
Một hạt chứa lực yếu
Mô hình Chuẩn của vật lý hạt là khuôn khổ tốt nhất hiện nay của khoa học về các định luật cơ bản của vũ trụ và mô tả ba lực cơ bản : lực điện từ, lực yếu và lực mạnh.
Lực mạnh giữ các hạt nhân nguyên tử lại với nhau. Nhưng một số hạt nhân không ổn định và trải qua quá trình phân rã phóng xạ, từ từ giải phóng năng lượng bằng cách phát ra các hạt. Quá trình này được thúc đẩy bởi lực yếu, và từ đầu những năm 1900, các nhà vật lý đã tìm kiếm lời giải thích tại sao và cách nguyên tử phân rã.
Theo Mô hình Chuẩn, các lực được truyền bởi các hạt. Vào những năm 1960, một loạt các đột phá về lý thuyết và thực nghiệm đã đề xuất rằng lực yếu được truyền bởi các hạt gọi là boson W và Z. Nó cũng công nhận rằng một hạt thứ ba, boson Higgs, là thứ mang lại cho tất cả các hạt khác - kể cả boson W và Z - khối lượng.
Kể từ khi Mô hình Chuẩn ra đời vào những năm 1960, các nhà khoa học đã nghiên cứu danh sách các hạt được dự đoán nhưng chưa được khám phá và đo lường các đặc tính của chúng. Năm 1983, hai thí nghiệm tại CERN ở Geneva, Thụy Sĩ, đã thu được bằng chứng đầu tiên về sự tồn tại của boson W. Nó dường như có khối lượng xấp xỉ một nguyên tử cỡ trung bình chẳng hạn như brom.
Đến những năm 2000, chỉ còn thiếu một mảnh để hoàn thành Mô hình Chuẩn và gắn kết mọi thứ lại với nhau: hạt Higgs. Tôi đã giúp tìm kiếm boson Higgs trong ba thí nghiệm liên tiếp, và cuối cùng chúng tôi đã phát hiện ra nó vào năm 2012 tại Máy va chạm Hadron Lớn ở CERN.
Mô hình Chuẩn đã hoàn thành và tất cả các phép đo chúng tôi thực hiện được kết hợp với nhau một cách đẹp mắt với các dự đoán.
Đo W Bosons
Thử nghiệm Mô hình Chuẩn rất thú vị. Bạn chỉ cần đập các hạt lại với nhau ở năng lượng rất cao. Những va chạm này trong một thời gian ngắn tạo ra các hạt nặng hơn, sau đó phân rã trở lại thành những hạt nhẹ hơn. Các nhà vật lý sử dụng các máy dò khổng lồ và rất nhạy cảm ở những nơi như Fermilab và CERN để đo các đặc tính và tương tác của các hạt được tạo ra trong các vụ va chạm này.
Trong CDF, boson W được tạo ra khoảng một trong số 10 triệu lần khi một proton và một phản proton va chạm. Phản proton là phiên bản phản vật chất của proton, có cùng khối lượng nhưng điện tích trái dấu. Các proton được tạo ra từ các hạt cơ bản nhỏ hơn gọi là quark, và phản proton được tạo ra từ các phản hạt. Sự va chạm giữa các hạt quark và phản hạt tạo ra các boson W. Các boson W phân rã nhanh đến mức không thể đo trực tiếp được. Vì vậy, các nhà vật lý theo dõi năng lượng sinh ra từ sự phân rã của chúng để đo khối lượng của các boson W.
Trong 40 năm kể từ khi các nhà khoa học lần đầu tiên phát hiện bằng chứng về boson W, các thí nghiệm liên tiếp đã đạt được các phép đo chính xác hơn bao giờ hết về khối lượng của nó. Nhưng chỉ khi phép đo boson Higgs - vì nó mang lại khối lượng cho tất cả các hạt khác - thì các nhà nghiên cứu mới có thể kiểm tra khối lượng đo được của boson W so với khối lượng mà Mô hình chuẩn dự đoán . Dự đoán và các thử nghiệm luôn trùng khớp - cho đến nay.
Nặng bất ngờ
Máy dò CDF tại Fermilab rất xuất sắc trong việc đo chính xác các boson W. Từ năm 2001 đến năm 2011, máy gia tốc đã va chạm proton với phản proton hàng nghìn tỷ lần, tạo ra hàng triệu boson W và ghi lại càng nhiều dữ liệu càng tốt từ mỗi vụ va chạm.
Nhóm Fermilab đã công bố kết quả ban đầu bằng cách sử dụng một phần nhỏ dữ liệu vào năm 2012. Chúng tôi nhận thấy khối lượng hơi lệch, nhưng gần với dự đoán. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã dành một thập kỷ miệt mài phân tích toàn bộ tập dữ liệu. Quá trình này bao gồm nhiều cuộc kiểm tra chéo nội bộ và cần nhiều năm mô phỏng máy tính. Để tránh bất kỳ sai lệch nào len lỏi vào phân tích, không ai có thể nhìn thấy bất kỳ kết quả nào cho đến khi tính toán đầy đủ hoàn tất.
Khi thế giới vật lý cuối cùng nhìn thấy kết quả vào ngày 7 tháng 4 năm 2022, tất cả chúng tôi đều ngạc nhiên. Các nhà vật lý đo khối lượng các hạt cơ bản bằng đơn vị hàng triệu vôn điện tử - được rút gọn là MeV. Khối lượng của boson W phát ra là 80.433 MeV - cao hơn 70 MeV so với những gì Mô hình chuẩn dự đoán. Điều này có vẻ như là một sự dư thừa nhỏ, nhưng phép đo chính xác trong khoảng 9 MeV. Đây là độ lệch gần gấp tám lần biên độ sai số. Khi tôi và các đồng nghiệp nhìn thấy kết quả, phản ứng của chúng tôi là một tiếng vang dội "wow!"
Điều này có ý nghĩa gì đối với mô hình chuẩn
Thực tế là khối lượng đo được của boson W không khớp với khối lượng được dự đoán trong Mô hình Chuẩn có thể có ba điều. Hoặc toán học sai, phép đo sai hoặc có điều gì đó bị thiếu trong Mô hình chuẩn.
Đầu tiên, toán học. Để tính toán khối lượng của boson W, các nhà vật lý sử dụng khối lượng của boson Higgs. Các thí nghiệm của CERN đã cho phép các nhà vật lý đo khối lượng boson Higgs trong phạm vi một phần tư phần trăm. Ngoài ra, các nhà vật lý lý thuyết đã nghiên cứu tính toán khối lượng boson W trong nhiều thập kỷ . Mặc dù toán học phức tạp, nhưng dự đoán là chắc chắn và không có khả năng thay đổi.
Khả năng tiếp theo là một sai sót trong thử nghiệm hoặc phân tích. Các nhà vật lý trên toàn thế giới đang xem xét kết quả để cố gắng chọc thủng nó. Ngoài ra, các thí nghiệm trong tương lai tại CERN cuối cùng có thể đạt được một kết quả chính xác hơn sẽ xác nhận hoặc bác bỏ khối lượng Fermilab. Nhưng theo tôi, thử nghiệm là một phép đo tốt nhất có thể.
Điều đó dẫn đến lựa chọn cuối cùng: Có các hạt hoặc lực không giải thích được gây ra sự chuyển dịch lên trên của khối lượng W boson. Ngay cả trước khi đo lường này, một số nhà lý thuyết đã đề xuất các hạt hoặc lực mới tiềm năng có thể dẫn đến độ lệch quan sát được. Trong những tháng và năm tới, tôi mong đợi một loạt các bài báo mới tìm cách giải thích khối lượng boson W khó hiểu.
Là một nhà vật lý hạt, tôi tự tin nói rằng phải có nhiều vật lý hơn đang chờ được khám phá ngoài Mô hình Chuẩn. Nếu kết quả mới này được duy trì, đây sẽ là kết quả mới nhất trong một loạt các phát hiện cho thấy rằng Mô hình Chuẩn và các phép đo trong thế giới thực thường không hoàn toàn trùng khớp. Chính những bí ẩn này đã cung cấp cho các nhà vật lý những manh mối mới và lý do mới để tiếp tục tìm kiếm những hiểu biết đầy đủ hơn về vật chất, năng lượng, không gian và thời gian.
John Conway là một nhà vật lý hạt năng lượng cao thực nghiệm và hiện đang tham gia vào hai thí nghiệm lớn: CDF tại Fermilab Tevatron ở Batavia, Illinois, và CMS tại Máy va chạm Hadron Lớn tại CERN ở Geneva, Thụy Sĩ. Ông nhận được tài trợ từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ.
Bài viết này được xuất bản lại từ The Conversation theo giấy phép Creative Commons. Bạn có thể tìm thấy bài báo gốc ở đây .
