Hạt Higgshạt của Chúa

HẠT HIGGS VÀ CÁC THÍ NGHIỆM TÌM KIẾM NÓ
Lê Thị Kim Nhung
Lí 4D, trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh

TÓM TẮT: Hạt Higgs hay boson Higgs là một hạt cơ bản trong mô hình chuẩn của ngành Vật lý hạt, được
Peter Higgs đưa ra giả thuyết vào năm 1964. Hạt Higgs có vai trò rất quan trọng trong vụ nổ Big Bang diễn ra cách
đây 13,7 tỉ năm. Việc tìm ra hạt Higgs sẽ giúp chúng ta lí giải tại sao các hạt cơ bản lại có khối lượng. Để làm được
điều đó, các nhà khoa học tại viện Vật lý châu Âu CERN đã tạo ra máy gia tốc LHC gia tốc proton lên một vận tốc
xấp xỉ ánh sáng, sau đó cho chúng va chạm với nhau. Từ đó, các nhà khoa học đã chứng minh được sự tồn tại của
hạt Higgs. Tôi viết bài báo này nhằm làm rõ quá trình tìm ra hạt Higgs cũng như tìm hiểu một số đặc trưng của hạt
Higgs.
Từ khóa: Hạt Higgs, thí nghiệm tìm kiếm hạt Higgs.
1.MỞ ĐẦU.
Vật lý hạt là khoa học nghiên cứu các hạt cơ bản và tương tác của chúng. Vật lý hạt thật sự mang lại nhiều ý
nghĩa cho các ngành khoa học khác vì những khám phá to lớn về vũ trụ mà nó đã tìm ra. Năm 2012 là năm đánh dấu
thành công lớn của ngành Vật lý hạt nói riêng. Các nhà khoa học ở trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN)
đã công bố tìm ra hạt Higgs hay còn gọi là “hạt của Chúa”, đây là sự kiện khoa học nổi bật nhất năm 2012. Vậy hạt
Higgs có những đặc tính gì, tại sao nó được gọi là “hạt của Chúa”, các nhà khoa học đã làm cách nào để tìm ra
Higgs, hạt Higgs tồn tại sẽ lý giải được điều gì.
Để trả lời tất cả các câu hỏi đó, tôi đã quyết định chọn đề tài: “HẠT HIGGS VÀ CÁC THÍ NGHIỆM TÌM
KIẾM NÓ” để viết bài báo này.
Trong bài báo này, tôi sẽ trình bày các vấn đề chính sau:






Hạt cơ bản và lý thuyết mô hình chuẩn.
Nguồn gốc tên gọi hạt Higgs.
Giả thuyết của Peter Higgs và quá trình tìm kiếm hạt Higgs.

Tầm quan trọng việc phát hiện ra hạt Higgs.

2. NỘI DUNG.
Hạt cơ bản và lý thuyết mô hình chuẩn.
Hạt cơ bản là những hạt nhỏ, có kích thước vi mô, tồn tại đồng nhất và là loại hạt cấu trúc nên thế giới chúng ta.
Không nên hiểu hạt cơ bản là hạt nhỏ nhất không thể phân chia vì bản thân proton (gồm 2 quark u, 1 quark d) hay
neutron (2 quark d, 1 quark u) cũng là hạt cơ bản. Vũ trụ là vô tận và sức người là có hạn nên ta không thể nào hiểu
hết được thế giới. Chúng ta không thể biết được hạt nào là hạt nhỏ nhất của vũ trụ này. Khái niệm hạt cơ bản chỉ có
tính chất tương đối, tùy thuộc vào mức độ hiểu biết thế giới của con người.
Vật chất tương tác với nhau bằng 4 loại tương tác chính là tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh
và tương tác yếu. Nếu có một lý thuyết nào đó mô tả được cả bốn loại tương tác này thì nó sẽ lý giải được tất cả các

1


hiện tượng trong vũ trụ. Với mong muốn hiểu biết sâu hơn về vũ trụ, các nhà vật lý đã tiến hành xây dựng một lý
thuyết tương đối hoàn chỉnh về tương tác của các hạt, bao gồm ba loại tương tác: tương tác điện từ, tương tác mạnh
và tương tác yếu. Sở dĩ đây chỉ là lý thuyết tương đối hoàn chỉnh vì nó đã bỏ sót tương tác hấp dẫn, nói đúng hơn là
nó vẫn chưa thể lý giải được tương tác hấp dẫn của vật chất trong vũ trụ. Lý thuyết mô hình chuẩn chỉ thực sự trở
nên hoàn chỉnh khi nó lý giải được tương tác hấp dẫn. Để lý giải tương tác hấp dẫn của vật chất, nguyên nhân vật
chất có khối lượng, Peter Higgs đã đưa ra giả thuyết về hạt Higgs-mảnh ghép cuối cùng của lý thuyết mô hình chuẩn.
Trường Higgs tồn tại sẽ bổ sung và hoàn thiện lý thuyết mô hình chuẩn. Một loại hạt boson mới xuất hiện trong mô
hình chuẩn và có vai trò đặc biệt bên cạnh các hạt boson khác trong bốn loại tương tác của vật chất. Photon là hạt
trung gian trong tương tác điện từ. Tương tác yếu có hạt trung gian là boson W và Z. Hạt truyền tương tác trong
tương tác mạnh là các gluon. Và Higgs là hạt truyền tương tác tạo nên trường Higgs-nguồn gốc khối lượng của vật
chất. Giới khoa học tin tưởng vào sự tồn tại của Higgs, bên cạnh đó cũng có một số nhà khoa học hoài nghi. Tuy
nhiên, dù tin tưởng hay hoài nghi thì họ luôn kì vọng vào sự tồn tại của Higgs. Trong 4 thập kỷ qua, các nhà khoa
học vẫn chưa có một manh mối nào về Higgs.
Nguồn gốc tên gọi hạt Higgs.
Hạt Higgs còn được gọi với tên khác là “hạt của Chúa” hay “hạt Chúa trời” . Hạt Higgs như là hạt Chúa trời ban

cho để cho tạo nên vật chất trên thế giới này như niềm tin của các tín hữu Ki-tô giáo: “ Thiên Chúa là đấng tạo thành
trời đất muôn vật hữu hình và vô hình”. Bên cạnh đó, cũng có nhiều ý kiến cho rằng hạt Higgs ban đầu được các nhà
khoa học gọi là hạt mắc dịch "goddamn particle" vì dường như không thể chứng minh được sự tồn tại của nó. Về
sau, nhiều người đọc lái nó đi thành “god particle” để dễ nghe hơn về ngôn từ. Từ đó, hạt Higgs được xem như “hạt
của Chúa”. Mặc dù có nhiều tranh cãi tên gọi của hạt Higgs nhưng tầm quan trọng của nó sẽ không ai có thể phủ
nhận được. Việc tìm ra hạt Higgs là một thành công lớn của ngành Vật lý nói chung và Vật lý hạt cơ bản nói riêng.
Giả thuyết của Peter Higgs và quá trình tìm kiếm hạt Higgs.
Hiện nay, chúng ta đã biết được vũ trụ được tạo ra bởi 12 hạt cơ bản và 4 trường vật chất khác nhau. Trong số 12
hạt này, chúng ta có 6 hạt quark và 6 hạt lepton. Đầu tiên, chúng ta phát hiện ra nguyên tử, rồi proton, neutron và
electron, hạt quark, lepton. Các hạt cơ bản có khối lượng, chúng liên kết với nhau để tạo thành các dạng vật chất như
đất, đá, nước hay không khí. Nhưng chúng ta vẫn chưa giải thích được tại sao các hạt cơ bản này lại có khối lượng.
Nhân tố nào làm cho các hạt cơ bản có khối lượng là một câu hỏi lớn cho các nhà khoa học nói chung và nhà Vật lý
học nói riêng.
Higgs hay Higgs boson là một hạt cơ bản được đưa ra giả thuyết vào năm 1964. Cơ chế Brout-Englert-Higgs
(BEH) lần đầu tiên được đề xuất trong hai bài báo công bố độc lập. Bài báo thứ nhất nhà vật lý người Bỉ Robert
Brout và François Englert. Bài báo thứ hai của nhà vật lý người Anh Peter Higgs. Sau đó, một bài báo thứ ba được
Hình 1: Hai nhà vật lý Robert Brout và François Englert.
xuất bản bởi Gerald Guralnik và Carl Hagen cùng đồng nghiệp người Anh Tom Kibble đã đóng góp hơn nữa vào sự
phát triển của các ý tưởng mới, mà bây giờ là một phần thiết yếu của mô hình chuẩn của vật lý hạt. Mô hình chuẩn là
lý thuyết giải thích tất cả các hiện tượng của vũ trụ. Tuy nhiên, mô hình chuẩn không giải thích được tại sao cùng là
hạt cơ bản nhưng một số hạt như photon lại không có khối lượng và khối lượng các hạt là không giống nhau. Vậy
khối lượng của các hạt có được là do tác nhân nào. Hạt Higss nếu tồn tại sẽ là câu trả lời hoàn hảo cho tất cả những
câu hỏi trên và nó chính là mảnh ghép cuối cùng còn lại của mô hình chuẩn mà các nhà Vật lý ra sức tìm kiếm.

2


Theo Peter Higgs, khối lượng được hình thành là do vật chất tương tác với một trường đặc biệt là trường Higgs.
Trường Higgs được hình thành sau vụ nổ Big Bang khoảng một phần tỷ giây. Ông cho rằng chính hạt Higgs là tác
nhân truyền tương tác cho trường Higgs, các hạt có khối lượng lớn hay nhỏ phụ thuộc vào mức độ tương tác của hạt

với trường Higgs. Hạt tương tác càng mạnh, khối lượng hạt càng lớn. Peter Higgs đã xây dựng các phương trình mô
tả chuyển động của các hạt bắt nguồn từ cơ học lượng tử. Nếu giả định các hạt không có khối lượng thì việc giải
phương trình này rất dễ dàng và cho kết quả hoàn hảo. Thực tế thì các hạt có khối lượng và các phương trình này trở
nên rất phức tạp, không nhất quán và không thể giải được. Ông tin rằng khối lượng không phải là tính chất vốn có
của vật chất. Từ đó, ông không đưa vào phương trình chuyển động của các hạt yếu tố khối lượng nữa mà Peter Higgs
cho các hạt tương tác trong một trường đặc biệt có vai trò truyền khối lượng cho các hạt.
Năm 1964, Peter Higgs gửi kết quả nghiên cứu của mình cho một tạp chí Vật lý nổi tiếng. Song các nhà biên tập
tạp chí này cho rằng ông đã quá ngớ ngẫn khi đề cập đến một vùng không gian mà nó chẳng liên quan gì đến Vật lý.
Họ cho rằng một môi trường có khả năng truyền tương tác tạo nên khối lượng là không thể có. Tuy giả thuyết về
trường Higgs không được công nhận nhưng Peter Higgs vẫn kiên định với quan điểm của mình. Mãi đến những năm
1980, cộng đồng vật lý sau khi nghiên cứu đã phần lớn chấp nhận giả thuyết của về trường Higgs. Tuy nhiên, giả
thuyết này vẫn chưa được kiểm chứng.
Ngay sau khi lí thuyết về trường Higgs được đề xuất, các nhà khoa học cũng đã tính được kết quả cho thấy có
một sự chuyển pha diễn ra trong không gian sau vụ nổ Big Bang. Pha chuyển giao này đã giải thích được sự thống
nhất hai lực cơ bản trong tự nhiên: lực điện từ trường và lực hạt nhân yếu. Trước khi xuất hiện trường Higgs, hai
trường lực trên là thống nhất và không thể tách rời. Tất cả các trường lực trong mô hình toán học của các nhà Vật lý
và tất cả các hạt cơ bản đều không xuất hiện yếu tố khối lượng. Hạt ánh sáng hay photon ánh sáng có vai trò truyền
lực nhưng vẫn không có khối lượng. Vậy điều gì đã tạo nên khối lượng của vật chất. Muốn lý giải được điều đó, các
nhà khoa học cần phải tìm thấy hạt Higgs. Để tìm thấy dấu vết của Higgs, các nhà khoa học bằng cách nào đó cần tái
hiện lại vụ nổ Big Bang trong phòng thí nghiệm. Các nhà khoa học tại CERN đã tạo ra máy gia tốc LHC, gia tốc các
proton đến một vận tốc xấp xỉ vận tốc ánh sáng rồi cho chúng va chạm vào nhau. Từ đó, họ đã chứng minh được sự
tồn tại của Higgs.
CERN được bắt nguồn từ viết tắt của tiếng Pháp Conseil
Européen pour la Recherche Nucléaire, thành lập vào năm 1952 với
nhiệm vụ trở thành một trung tâm nghiên cứu hạt cơ bản ở châu Âu.
CERN là nơi hợp tác của các nhà Vật lý trên thế giới, hiện có 20
quốc gia thành viên. Thí nghiệm của CERN được tiến hành trên máy gia tốc lớn, được đặt dưới lòng đất gần biên
giới Thụy Sĩ và Pháp có chu vi lên đến 27km, có trên 10000 nhà Vật lý và nhà nghiên cứu khoa học làm việc tại đây.
LHC tiêu tốn khoảng 10 tỷ USD chỉ với một nhiệm vụ duy nhất là tìm ra dấu vết của hạt Higgs. Để làm
được điều đó, cổ máy này phải gia tốc các hạt cơ bản chuyển động trên quỹ đạo tròn lên một vận tốc cực lớn gần vận

tốc ánh sáng với tần số quay cỡ 11000 lần/ giây. Sau đó, các hạt được điều chỉnh hướng
bởiLogo
các của
namCERN
châm để chúng
Hình 2:
va chạm vào nhau cực nhanh và cực mạnh, hàng triệu va chạm chỉ trong nháy mắt.

3


Hình 3: Va chạm giữa các hạt tạo ra các đốm sáng như pháo bông.
Các va chạm mạnh và nhanh như vậy sẽ tạo ra các đốm
sáng như pháo bông, các máy dò sẽ có nhiệm vụ chụp lại
các hình ảnh này. Máy gia tốc LHC hoạt động ở nhiệt độ
thấp khoảng 1,9 K nên nó là thiết bị siêu lạnh lớn nhất thế
giới. Máy gia tốc này nằm ở độ sâu từ 50 đến 175 m dưới
mặt đất trong một đường hầm vòng tròn có chu vi 27 km.
Chiếc mày này được xây dựng từ năm 1983 đến năm 1988
bằng bê tông với đường kính hầm là 3,8 m nguyên được
dùng làm nơi chế tạo máy Large Electron-Positron
Collider. LHC nằm phần lớn trên nước Pháp, chạy qua
biên giới Pháp-Thụy Sỹ. Trên mặt công trình bao gồm rất nhiều thiết bị hỗ trợ như máy nén, quạt gió, các thiết bị
Hình 4: Máy gia tốc hạt Large Hadron Collider
điện tử điều khiển và các thiết bị làm mát. LHC được chế tạo với sự tham gia của hàng trăm trường đại học và phòng
(LHC) lớn nhất thế giới, được chôn ngầm dưới lòng đất.
thí nghiệm trên thế giới với trên 8000 nhà vật lý. Ngày 10 tháng 8 năm 2008 những hạt đầu tiên được dẫn vào máy
LHC và khoảng 6 đến 8 tuần sau đó. Các đợt va chạm đầu tiên với năng lượng cực lớn đã diễn ra. Với máy gia tốc
LHC, các nhà khoa học đã tái tạo lại vụ nổ Big Bang-vụ nổ kiến tạo ra vũ trụ với 500000 vụ va chạm trong máy gia
tốc LHC và cuối cùng họ đã tìm ra hạt Higgs. Từ đó họ rút ra kết luận vật chất được tạo ra từ đâu và tại sao chúng có

khối lượng.
Tầm quan trọng việc phát hiện ra hạt Higgs.
Tìm thấy hạt Higgs, công cuộc tìm kiếm mảnh ghép cuối cùng của mô hình chuẩn đã thành công. Một lý
thuyết tuyệt đẹp đã vượt qua được các thách thức và được giải mã hoàn toàn bằng thực nghiệm. Mô hình chuẩn sẽ
được coi là lý thuyết hoàn chỉnh, làm thế giới quan của chúng ta đầy đủ và khép kín. Hạt Higgs được tìm thấy sẽ mở
đường cho những nghiên cứu chi tiết hơn nhằm thiết lập những đặc tính của phân tử mới, đồng thời vén màn những
bí ẩn khác trong vũ trụ. Hạt Higgs khẳng định trường vô hướng Higgs tràn ngập trạng thái chân không của vũ trụ
ngay từ thuở sơ khai Big Bang. Quan điểm về khối lượng đã có một sự thay đổi lớn. Trường Higgs chính là nguồn

4


gốc khối lượng của vật chất, càng tương tác mạnh bao nhiêu thì khối lượng càng lớn bấy nhiêu. Việc tìm thấy hạt
Higgs sẽ mở đường cho những nghiên cứu mới, có thể nó sẽ là nguồn gốc của một dạng năng lượng mới của vũ trụ.
Vũ trụ này giống như các electron trong dây dẫn. Bình thường, nó sẽ chuyển động nhiệt hỗn loạn và không tạo nên
dòng điện, nhưng khi được áp một hiệu điện thế vào, các electron sẽ chuyển động có hướng tạo thành dòng điện.
Trường Higgs cũng có vai trò như vậy, nó sẽ giúp liên kết các hạt lại để tạo nên vật chất.
Hạt Higgs có thể mang lại nhiều lợi ích cho
cuộc sống của con người trong tương lai.
Hạt Higgs tồn tại sẽ đưa ra một lý
giải mới cho sự giản nỡ của vũ trụ. Điều mà
các nhà thiên văn học vẫn còn gặp nhiều
vướng mắc. Trường nào có thể cung cấp
một lực đủ mạnh để tạo nên vụ nổ Big
Bang. Mặc dù chưa có một nhận định rõ
ràng, nhưng các nhà vật lý nhận thấy rằng
nếu đặt một trường giống như trường Higgs
vào, họ có thể tách trường tạo nên vụ nổ

Hình 5: Sự vui mừng của các nhà khoa học khi tìm ra hạt Higgs

làm hai phần: trường khối lượng và trường
lực đẩy. Thí nghiệm từ máy gia tốc LHC đã
cho thấy rằng một trong hai trường được giả định là thật sự tồn tại. Đó là trường Higgs. Qua đó, các nhà thiên văn
học có một cái nhìn mới về vụ nổ Big Bang.
Theo các nhà khoa học dự đoán, vũ trụ này tồn tại một loại hạt mà sẽ là nguyên nhân diệt vong của nhân
loại. Hạt này là một hạt bosson và một phép tiên đoán cho thấy nhân loại sẽ bị diệt vong sau vài chục tỉ năm nữa. Có
một vài nhận định cho rằng hạt này chính là hạt Higgs. Vì trường Higgs có ở khắp nơi trong vũ trụ, nó được cho là sẽ
tạo nên một lỗ hổng nào đó trong vùng chân không của vũ trụ. Và chính lỗ hổng đó sẽ đi đến sự diệt vong. Tuy
nhiên, mọi chuyện chỉ mới là dự đoán.
Một số đặc trưng cơ bản của hạt Higgs.
Kí hiệu: H0.
Loại hạt: boson.
Khối lượng: 125,3 ± 0,6 GeV.
Thời gian sống: 1,56 × 10 -22 s.
Điện tích: 0.
Màu tích: 0.
3. KẾT QUẢ.
Năm 2004, các nhà khoa học công bố khối lượng hạt Higgs vào khoảng 115 GeV.

5


Năm 2009, các nhà kha học giả định rằng hạt Higgs không chỉ tương tác với các hạt trong mô hình chuẩn mà nó
còn tương tác bí ẩn với các hạt có khối lượng khổng lồ góp phận tạo nên vật chất tối.
Năm 2012 nhóm CMS công bố khối lượng
hạt Higgs khoảng 125,3 GeV và nhóm ATLAS
công bố khối lượng Higgs khảng 126,5 GeV.
Số liệu của hai nhóm nghiên cứu này không có
sai lệch nhiều, hạt Higgs nặng hơn khối lượng

proton khoảng 133 lần.
Ngày 4/7/2012, các nhà vật lý ở Trung tâm
Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu CERN vui

Hình 7: Mô phỏng sự kiện xảy ra trong LHC của Viện Vật lý hạt châu
mừng công bố đã phát hiện một hạt cơ bản mới, hạt
rất giống với hạt Higgs boson đã được lí thuyết tiên đoán.
Âu,boson
CERN.
Công bố này đã làm chấn động thế giới và giúp khẳng định lý thuyết mô hình chuẩn. Đó là kết quả lao động sáng
tạo miệt mài hàng trăm ngày đêm của một tập thể đồ sộ các nhà vật lý quốc tế ở trung tâm khoa học hàng đầu CERN
tại Geneve (Thụy Sỹ), trên cỗ máy lớn nhất thế giới giá chục tỷ USD (tên gọi là Large Hadron Collider LHC) kết
hợp với các hệ thống thí nghiệm, ghi đo và phân tích rất phức tạp ATLAS và CMS.
Ngày 14/3/2013, tập thể khoa học của CERN tiếp tục làm sáng tỏ các đặc trưng vật lý của hạt mới tìm thấy, xác
định rõ hơn nữa đây có phải là hạt Higgs boson đích thực hay không và là Higgs boson loại nào. Sau khi phân tích
một lượng khổng lồ các số liệu thí nghiệm thu được, nhiều gấp 2,5 lần số liệu để có kết quả thông báo ban đầu vào
tháng 7 năm 2012, các nhà nghiên cứu CERN khẳng định rằng đây chính là hạt Higgs.
4. KẾT LUẬN.
Giả thuyết về hạt Higgs được Peter Higgs đưa ra vào năm 1964. Ông cho rằng nguồn gốc khối lượng của vật
chất là hạt Higgs. Hạt Higgs tạo ra một trường gọi là trường Higgs.Trường này sẽ truyền khối lượng cho các hạt khi
các hạt tương tác với nó. Tùy vào mức độ tương tác mà hạt có khối lượng khác nhau. Tương tác càng mạnh, khối
lượng càng lớn.
Gần 50 năm sau khi Peter Higgs đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của hạt Higgs thì thực nghiệm mới chứng minh
được sự tồn tại của nó nhờ vào máy gia tốc LHC. Các nhà khoa học tại CERN đã tạo ra chiếc máy có giá hơn 10 tỷ
USD này chỉ với một nhiệm vụ duy nhất là tìm ra dấu vết của Higgs. Với chiếc máy gia tốc có quỹ đạo cực lớn này,
các proton được gia tốc lên một vận tốc cực lớn gần vận tốc ánh sáng, chuyển động trên quỹ đạo tròn nhờ sự định
hướng của hệ thống nam châm với tần số lớn. Sau đó, chúng va chạm vào nhau. Các nhà khoa học phân tích kết quả
vụ va chạm và đã tìm ra hạt Higgs.
Sự tồn tại của hạt Higgs đã hoàn thiện lý thuyết mô hình chuẩn. Nhờ có trường Higgs, các hạt liên kết với nhau
tạo nên đất, nước, không khí... và tạo nên cả sự sống trên hành tinh này. Hạt Higgs tồn tại sẽ giúp mở ra hướng

nghiên cứu mới cho ngành Vật lý hạt nói chung và các ngành khoa học khác nói riêng.

6


TÀI LIỆU THAM KHẢO.
[1] />[2] />[3] />
7