Vũ Trụ Lượng Tử : Cuộc Cách Mạng Trong Vật Lý hạt Cơ bản thế Kỷ XXI pptx

Vũ Trụ Lượng Tử : Cuộc Cách
Mạng Trong Vật Lý hạt Cơ bản
thế Kỷ XXI
Tháng 10 năm 2003 Raymond L.Orbach, Giám đốc Vụ Khoa học (Office
of Science) của Bộ Năng lượng Mỹ (U.S. Department of Energy) và Michael
Turner, Trợ lý Giám đốc Ban Khoa học Tóan - Lý của Quỹ Khoa học Quốc gia
Mỹ (National Science Foundation) đã đồng ký tên một công văn gửi GS.
Frederik Gilman, Chủ tịch Hội đồng Tư vấn Vật lý Năng lượng cao (High
Energy Physics Advisory Panel – HEPAP) đề nghị thành lập một Ủy ban để
xem xét các vấn đề chính yếu hiện nay trong vật lý năng lựợng cao, vật lý
thiên văn hạt (particle astrophysics) và vũ trụ học và đề xuất phương hướng
nghiên cứu sắp tới cũng như triển vọng.
HEPAPđã thànhlập một Ủy ban gồm 17nhà khoahọc để thực hiệnyêu cầu
trên.Và sau đây là tóm tắt báo cáo do Ủy ban đó sọan thảo.
I MỞ ĐẦU
Bản chất vũ trụ là gì và nó được cấu tạo từ cái gì?
Vật chất, năng lựợng, không gian,thời gian làgì?
Chúng taxuất hiện ở đây như thế nào và đang đi đâu?
Việc cố gắng trả lời các câu hỏi cơ bản về vũ trụ đã đạt đến bước ngoặt. Vào những
năm đầuthế kỷ XXI,cácnhà vật lý đã nắm vững được tínhchất các hạt và các lực
đặc trưng cho vật chất thông thường xung quanh chúngta. Mặt khác, các quansát
vật lý thiên văn và vũ trụ bằngcác trạm không gian lại cho thấybức tranhđó của
vũ trụ làkhông đầyđủ, vì 95%thànhphần vũ trụ lại không phải cấu tạo từ vật chất
thông thường, mà từ một cái gì khác cònbí ẩn : đó là vật chất tối vànăng lựợng tối.
Như vậy chúngta đã nhậnthức đượclà thựctế ta không biết gì về đại bộ phận
những gì tạo nênvũ trụ.
Để hiểu được vũ trụ “mới” còn chưa biết đó,ta cần những phát hiện mới củavật lý
hạt. Các quan sát thiên văn giúp ta khảo sát các tham số của vũ trụ, các máy gia tốc
giúpta xây dựngmộtlời giải lượngtử cho các thamsố đó. Năng lựợng đạt đượcở
các máy gia tốc ngày nay đã đến gần các điều kiện ở những giây phút đầu tiên sau
Vụ Nổ Lớn, là công cụ sẽ giúp ta phát hiện ra vậtchất tối, năng lựợng tối là gì, thực

hiện cuộc cách mạng về nhận thứcvật lýhạt cơ bản và vũ trụ.
Chưalúc nào như lúcnày, haicách tiếp cận từ quan sát vũ trụ và từ thí nghiệm với
máy giatốc lại songhànhhỗ trợ nhaumật thiết đến như vậy.
II BẢN CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LỰỢNG, KHÔNG GIAN VÀ
THỜI GIAN.
Các thí nghiệm đang tiến hànhcũng như dự kiến tiến hànhcủa vậtlý hạt cơ bản ở
các phòngthínghiệm khắpnơi trên thế giới sẽ cho ta khả năngnêu lênchín câu
hỏi về cácđịnh luật vật lý cơ sở đang chi phối vũ trụ. Các câuhỏi này vừa rất quen
thuộcnhưng đồngthời cótính cách mạng sâu sắc, xác địnhhướng đi của vật lý hạt
cơ bản trong thế kỷ XXI.
Chíncâu hỏi này ta cóthể gọn lại theo3 nội dung lớn như sau :
GIẤCMƠ CỦA EINSTEINVỀ CÁC
LỰC HỢPNHẤT
Giấc mơ này có thể nói đã được thực hiện khá tốt trong phạmvi vi mô, lượng tử
(Mô hìnhtiêu chuẩn – StandardModelSM). Tuynhiên các ý tưởnglượng tử đó lại
khôngáp dụngđược chophạm vi vũ trụ. Có thể còn thiếu một vài thành tố nào đó;
trường hấp dẫn,vật chất tối, năng lựợng tối phải cómột cách diễn giải lượng tử.
Phải cómộtlýthuyết gì đó bao quát được cả SM và thuyết tươngđối tổng quát,
đồngthời giải quyết được bí ẩn của năng lựợng tối.
Câu hỏi 1 Có hay không những nguyên lý của tự nhiên mà ta chưa phát hiện
ra: những đối xứng mới, những định luật vật lý mới ?
Công cuộc nghiên cứu của chúng ta từ trước tới nay về cácđịnh luật cơ bản của tự
nhiênđã giúp ta nhậnthứcđược là các định luật vật lý, và cáchạt vậtchất bị chi
phối,tồn tại là do các đối xứng củatự nhiên làm nền tảng,mộtsố trong các đối
xứngnày đã mất đi ngaytừ Vụ Nổ Lớn. Mộttrong những đối xứng bị mất đó có thể
là siêuđối xứng.Siêu đối xứng dự kiến là đi cặp với mỗi hạt thôngthường luôn
luôn cómột hạt đồng hànhsiêu đối xứng. Lýthuyết siêuđối xứng– phầncốt lõi
của lý thuyết dây, hé mở khả năng một trongnhữnghạt đồng hành này, hạt
neutralino, là ứngviên chovật chất tối, cũng như mối liênquan có thể giữa siêu đối
xứngvà năng lựợng tối.

Việc phát hiện ra siêu đối xứngrõ rànglà một thách thức thực nghiệm đối với vật
lý hạt cơ bản,chưa nóiđến việckhảo sát chi tiết cấu trúcvà tínhchất cáchạt đồng
hành siêu đối xứng.
Câu hỏi 2 Ta giải quyết bí ẩn của năng lượng tối như thế nào ?
Các đo đạc gần đây bằng kính thiên văn cũngnhư các trạm không gian chothấy là
có mộtlực bí ẩn - năng lựợng tối – lấp đầyvacuum của không giantrống rỗng,thúc
đẩy tăngtốc sự dãn nở của vũ trụ. Ta khôngbiết nănglựợngtối là gì, và tồn tại để
làm gì.Mặt khác lý thuyếthạt cơ bản cho ta biết là ở mức độ vi mô, ngaycả một
vacuum hoàn hảo cũng chứa đầycác cặp hạt lượngtử, có thể là nguồn gốc tự nhiên
của năng lựợng tối. Tuy nhiên, tínhtoánsơ bộ năng lựợng tối sinh bởi vacuumđó
lại cho một giá trị 10120lần lớnhơn giátrị quansát. Như vậy phải có một quá
trìnhvật lý gì đó,chưa biết, để khử hầu hết nănglượng vacuum đó,chỉ chừa lại đủ
để gia tốc sự dãn nở vũ trụ như đã thấy.Cần thiếtmột lý thuyết mới của vật lý hạt
cơ bản để giảithích quá trìnhnày.
Các số liệu thực nghiệm lại dẫn đếnmộtthành phần bí ẩn kháccủa khônggian
trống rỗng,đó là trường Higgs, trường này “cungcấp” khối lượng chocác hạt. Nếu
khôngcó trường Higgs thì các electronsẽ chuyển độngvới vận tốc ánhsáng, và các
nguyêntử sẽ phân rã tức thời. Năng lựợng tối và trườngHiggs có liên quangì với
nhau không? Việc phát hiện rasiêu đối xứngcó thể sẽ chothấy mối liênquan đó,
có thể sẽ giải thích được giá trị nhỏ, nhưng hữuhạn củanăng lượngtối.
Câu hỏi 3 Có hay không những chiều dư (extra) của không gian ?
Ý tưởng có tính cách mạng của lý thuyếtdây là việc thực hiện rõràng giấc mơ của
Einsteinvề một phương cách giải thíchcốt lõi nhất củatấtcả mọi vật, từ lượng tử
nhỏ nhất củavật lý hạt đếntòan bộ vũ trụ. Lý thuyết dây hợp nhất toàn bộ vật lý
với việcdiễn tả mọi lực và mọi hạt như là các daođộng khác nhau củachỉ một đối
tượng duynhấtgọi là siêu dây (dây siêu đối xứng).
Các siêu dây có tồn tại không? Bản thân dâycó thể là quá nhỏ để ta quan sát trực
tiếp được, nhưng lý thuyết dây lại có một số tiên đoáncó thể kiểm nghiệmđược.
Lý thuyết này đòihỏi siêu đối xứng và tiên đoán sự tồn tại củabảy (7) chiều không
gian cho đến nay chưaphát hiện ra, những chiều dư này là nguyên nhâncho phần

lớn độ phức tạp của bứctranh vật lý hạt. Kiểm nghiệm tính đúng đắn của lý thuyết
dây chínhlà phải tìm cho racác chiều dư đó của không gian. Có baonhiêu chiều dư
tất cả?Dángvẻ và kích thước chúng ra sao?Tại saochúng lại ẩn? Có hạtmới nào
gắn liền với các chiều dư đó không?
Câu hỏi 4 Tất cả các lực rồi có trở thành một không ?
Ở mức cơ bản nhất các hạt vàlực có thể hội tụ lại nhau,hoặcthông qua các nguyên
tắc ẩnnhư thốngnhất lớn,hoặc thông qua vậtlý mới như siêu dây.
THẾ GIỚI HẠT
Các nhà vật lý đã tìm đượcnhiều lọaihạt cơ bản, và xácđịnh được khá chi tiết các
tính chất của từng hạt. Vai tròcủa chúng là gì? Làm sao biết đượckhi nào ta tìm
được hết tất cả các lọai hạt?
Câu hỏi 5 Vì sao có nhiều loại hạt như vậy?
Chúng tađã pháthiện được 3 họ quarkvà lepton- các phần tử cơ bản nhất, ba họ
này chỉ khác nhauvề khối lượng, từ dưới một phần triệu khối lượng electroncho
đến khối lượng củamột nguyên tử vàng. Tươngtự như cơ lượng tử giúp ta giải
thích cách sắp xếpbảng tuần hoàn các nguyên tố hóahọc, ngày naychúngta đang
tìm kiếm các lý thuyết mới giảithích tính chất các hạt cơ bản. Tại saotồn tại ba họ
hạt, và tại sao khối lượngchúng lại khác nhauđến như vậy? Tại sao tính chất các
quark vàleptonlại hoàn toàn khác nhau?
Câu hỏi 6 Vật chất tối là gì ? Làm thế nào có chúng trong phòng thí nghiệm?
Phần lớn vật chấttrong vũ trụ là tối. Nếu không có vật chất tối thìcác ngôi sao,các
thiên hàđã không hìnhthành được, và đã không có sự sống ngày nay. Vật chất tối
gắn kết vũ trụ lại với nhau.Nó là gì?
Tuy rằng sự tồn tại củavật chất tối đã được đề xuất từ những năm 1930,nhưng chỉ
ở 10 -15 năm cuối này,các nhàkhoahọc mới đạt được bước tiến đáng kể trong
việc hiểu biết cáctínhchất của nó, phần lớn là xác địnhnhững gì không phải là nó.
Các quansát gầnđây về ảnh hưởng của vật chất tối lên cấu trúc vũ trụ chothấy là
nó khônggiống bất kỳ dạng vật chất nàomà ta đã biết hoặc đã đo đượctrong
phòngthí nghiệm. Đồngthời cũng xuất hiện nhiều lý thuyết để giải thích vậtchất
tối là gì, chẳng hạn lýthuyếtsiêu đối xứng tiên đoán những họ hạt mới, tương tác

rất yếu với vật chấtthông thường, mà hạt nhẹ nhất trongsố đó có thể chínhlà hạt
vật chất tối.
Câu hỏi 7 Các hạt neutrino nói với ta điều gì ?
Neutrino là hạt bí ẩn nhất trongsố các hạt mà ta biết được trong vũ trụ. Nó luôn
cho ta nhiều bất ngờ. Nó tương tác với các hạt khác yếutới mứccả tỷ neutrino mỗi
giây xuyên qua cơ thể ta mà khôngđể lại dấu vết gì. Mặt Trời cũng bức xạ vô số
neutrino,sinhra trong các phản ứngnhiệt hạch trong lòng của mình. Các neutrino
này được sinh ra chỉ mộtlọai, nhưngtrong quá trình di chuyển đến Trái Đất, chúng
lại biến qua hailoại kia một cáchbí ẩn. Các neutrino cókhối lượng, nhưng hạt
neutrinonặng nhất cũng chỉ bằng một phần triệu khốilượng của hạt tích điện nhẹ
nhất.
Việc neutrinocókhối lượng nhỏ như vậy có thể là do chúngnhận được khối lượng
từ một quy luật vậtlý còn chưabiết,có thể liên quan đếnlực thống nhất. Việckhảo
sát chi tiết các tính chất hạt neutrino - khối lượng, cách thức chúngbiến từ lọai này
qua loại kia,và chúng cóphải là phản hạtcủa chínhmình không, v.v… - sẽ chota
biết neutrinocó phảilàhạt vật chất thông thường không,hay lại là cái gì khác.
SỰ XUẤT HIỆNVŨ TRỤ
Cái gì khởi độngVụ Nổ Lớn?Làm thế nào khônggian, thời gian, vật chất và năng
lựợng có được hình dạng như ta thấy hiện giờ? Ta cóthể nào đi ngượclại lịch sử
vũ trụ không?
Những quá trìnhở giaiđọan đầu đã xảy ra ở nhiệt độ và mật độ vật chấtvô cùng
lớn, đã quyết địnhnhững tính chất cơ bản của vật lý hạt. Nhữngquá trình đó đã
được điều chỉnh tinh visao chocó thể xuất hiện đượccác thiên hà, các ngôi sao và
hành tinh.Có hay không nhữngđịnhluật vật lý mà ta chưabiết, chúngquyếtđịnh
sự tồn tại của con người?
Câu hỏi 8 Vũ trụ đã hình thành như thế nào?
Theo lýthuyếthiện nay thìvũ trụ đã bắt đầu bằngmột vụ nổ kỳ lạ,tiếp theolà sự
giãn nở bộtphátcực kỳ nhanh(lạm phát). Để hiểuđược hiện tượng giãn nở lạm
phát,cần phải cónhững đột phá tronghiểu biết của chúngta về vật lý cơ sở, về hấp
dẫn lượngtử, và về lý thuyết hợp nhất các tương tác. Tuyrằng các điều kiện giãn

nở lạm phát tương ứng năng lựợng quácao không thể tạo lại trên trái đất, ta vẫn
có thể quan sátthấy dấu ấn của nó qua nên bứcxạ viba vũ trụ tàn dư hiện nay.
Ngay sauvụ giãn nở lạm phát, các điều kiện vật lý là cực kỳ đặc biệt nên có thể tổ
hợp các hạt cơ bản lại thành một pha mới của vật chất. Trong quátrình vũ trụ dãn
nở và nguội đi, đó chính là hiện tượngchuyển pha,giống như hơi nước ngưngtụ
thành nước, và cáchiện tượngnàycòn để lại tàn dư quan sátđược hiệnnay.
Hiện tượng chuyểnpha vũ trụ có thể tái lập lại trongcác thí nghiệm ở máy gia tốc
năng lượngcao.
Câu hỏi 9 Phản vật chất đi đâu hết ?
Vụ Nổ Lớn gần như chắc chắntạo ra các hạt và phản hạt với số lượng bằng nhau.
Tuy vậy, mọi quansát trongphạm vivũ trụ quan sát được lại cho thấy là ta đang
sống trongmột vũ trụ của vật chất,chứ khôngphải của phản vật chất.
Cái gì đã xảy ra với phản vật chất ? Có thể ngaytừ đầu đã có một sự mất cânbằng
nhỏ giữa vật chất và phản vật chất, hoặcphản vậtchất đã bị hủy hếtthành photon
và neutrino. Ngàynay, cácnhà vật lý quan sát thấy trong phòng thí nghiệmmột sự
bất đối xứng rất nhỏ giữa vậtchất vàphản vật chất, tuy nhiên việc hiểu cácbất đối
xứngđó là khôngđầy đủ, không đủ để giải thích sự thống trị của vậtchất trong vũ
trụ.
Phải chăng cómột hiện tượnggì đó còn bí ẩn,gây ra diễn tiến khácnhau giữavật
chất vàphản vật chất? Nguồn gốc hiện tượng này phải chăng liên quan vớiboson
Higgs,hoặc với siêu đối xứng, hoặc với cácchiều dư của không gian?
Chíncâu hỏi nêu trên xác định phương hướngtương laicủa vậtlýhạt cơ bản. Trả
lời những câu hỏi đó là mục tiêu của một chương trình nghiêncứu toàn cầu, định
hướngcác thí nghiệm đangvà sẽ tiến hành cũng như thiết kế các thiết bị nghiên
cứu vôtiền khoánghậu.