30/03/2014

Kỷ yếu "Hạt Higgs và Mô hình chuẩn – Cuộc phiêu lưu kỳ thú của Khoa học" 1

Nhóm chủ biên: Cao Chi – Chu Hảo – Pierre Darriulat – Nguyễn Xuân Xanh – Phạm Xuân Yêm

clip_image002[4]

LỜI PHI LỘ

Thế kỷ thứ 5 trước Công nguyên, các nhà triết học tự nhiên Hy Lạp Leucippus và Democritus đã đưa ra lý thuyết nguyên tử nói rằng mọi vật trên đời được cấu tạo bằng những hạt nhỏ cơ bản không chia cắt được, gọi là nguyên tử, nằm trong chân không. Nguyên tử được xác nhận cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20, nhưng không phải là hạt cơ bản. Các thành phần khác nhỏ hơn của nguyên tử cũng lần lượt được tìm thấy như electron, proton và neutron. Cuộc tìm kiếm hạt cơ bản của vật chất và các chất keo giữ chúng, trải qua muôn vàn khó khăn, nhưng kết thúc đẹp vào các thập niên của nửa sau thế kỷ 20. Các kết quả được đúc kết lại trong cái gọi là Mô hình Chuẩn. Nguyên tử không còn là hạt cơ bản, mà là hỗn hợp của những hạt cơ bản có tên quark. Mô hình chuẩn chứa đựng danh sách các hạt cơ bản, gồm hạt vật chất và hạt truyền lực, và mô tả sự tương tác của chúng một cách chính xác kỳ diệu.

Trong Principia năm 1687 Newton đưa ra khái niệm khối lượng của vật chất, như tính chất riêng. Mô hình chuẩn đã giải mã nó. Các hạt cơ bản tạo nên vật chất không có khối lượng tự nó, mà phải được một cơ chế khác «gia trì» bằng các tương tác để có khối lượng. Đó là cơ chế Higgs của một trường Higgs chiếm ngự chân không, xuất hiện tại một thời điểm trong thuyết Big Bang của vũ trụ. Hạt Higgs chính là dấu ấn của nó. Cơ chế Higgs đã được sử dụng từ lâu để giải thích thành công lực yếu, không có nó sẽ không có ánh sáng. Nhưng mãi gần nửa thế kỷ sau khi lý thuyết ra đời, con người mới nhìn thấy loại «hạt của Chúa» này. Hai trong những nhà vật lý đã khai sinh cơ chế Higgs được vinh danh với giải Nobel cuối năm 2013: Francois Englert và Peter Higgs. Cuộc tìm kiếm chân lý ở đáy sâu của vũ trụ là một cuộc phiêu lưu kỳ thú của khoa học. Số Kỷ yếu này kể lại câu chuyện đó.

Nguyễn Xuân Xanh và Phạm Xuân Yêm

Quý độc giả kính mến,

Các quốc gia phát triển và nhiều quốc gia khác trên thế giới hiện nay đều có những hạt Higgs của mình cho độc giả đại chúng. Nay chúng ta cũng có một hạt Higgs cho độc giả Việt Nam.

Quyển sách Kỷ yếu Hạt Higgs mà quý độc giả cầm trên tay là kết quả của những nỗ lực của các nhà khoa học sống ở Việt Nam cũng như ở hải ngoại. Nếu tính từ ngày chúng tôi gửi lời kêu gọi tham gia vào đầu tháng 8 năm 2012 cho đến nay đã một năm rưỡi trôi qua, một thời gian dài ‘kỷ lục’ trong cuộc đời các số kỷ yếu. Cao nhất có lẽ là thời gian của Kỷ yếu Đại học Humboldt là một năm. Quả là hạt Higgs ‘khó tìm’, trong thực nghiệm, cũng như trong dạng một Kỷ yếu, vì nó không dễ nắm bắt. Nhưng có sao đâu. Thế giới đã chờ 48 năm để tìm hạt boson Higgs thì chúng ta chờ thêm nửa năm nữa thì có sao đâu. Vả lại, vô tình Giải Nobel 2013 đã ‘hâm nóng’ đề tài hạt Higgs của Kỷ yếu, làm cho nó trở nên ‘hấp dẫn’ gấp bội.

Cơ chế Higgs và Mô Hình Chuẩn, lý thuyết của các hạt cơ bản tạo ra khối lượng thấy được của vũ trụ, là cuộc hành trình kỳ thú của thế kỷ 20, của các nhà vật lý lý thuyết và thực nghiệm. Không ai ngờ cơ chế Higgs để tạo khối lượng, mô hình Quark, sự thống nhất hai lực điện từ và lực yếu, lực mạnh điều khiển và giam các quark, những viên gạch nhỏ nhất mà loài người muốn đi tìm từ thời cổ đại, đã xuất hiện một cách rất ngạc nhiên như những mảnh zig zag liên kết nhất quán với nhau của một bức tranh vô cùng thú vị của tạo hóa. Cơ chế Higgs và gắn liền với nó là sự phá vỡ đối xứng của thuyết điện yếu thống nhất là ‘chứng tích’ của sự tiến hóa của vũ trụ, đúng như kịch bản big bang đề ra.

Sự khám phá hạt Higgs là một xác nhận trọn vẹn Mô hình Chuẩn giải thích sự vận hành và tương tác của các hạt cơ bản tạo ra vũ trụ này, trong đó có chúng ta, có hành tinh xanh yêu dấu của chúng ta, có dải ngân hà kỳ vĩ. Không có hạt Higgs, không có nguyên tử, không có hành tinh, và không có chúng ta. Ngày 4 tháng 7 năm 2012 do đó là “ngày vĩ đại” của vật lý hạt, và của trí tuệ nhân loại.

Thượng đế tinh tế nhưng không ‘thâm hiểm’ như Einstein nói ư? Chính ông cụ đi tìm hoài bản đồ tạo hóa, nên bực bội nói thêm: Có thể Thượng đế ‘thâm hiểm’ lắm. Và nhìn vào cấu trúc của các hạt, với những tính chất lượng tử nhiều lớp không ngờ của chúng, với những lực quản lý và kết chúng lại trong lòng các nguyên tử cũng rất ư lạ thường, có người cũng đi đến suy nghĩ, “Trời cao có thể thâm hiểm lắm”, ông không dễ tiết lộ một cách dễ dàng ‘cơ trời’ tạo ra khối lượng của vật chất của chúng ta đâu. Con người ‘thơ ngây’ và hời hợt, chờ đợi những cái quá dễ dàng. Thế giới và chúng ta được tạo ra dễ dàng hay sao? Nhưng rồi qua Mô Hình Chuẩn và Hạt Higgs con người đã bắt đúng mạch tư duy của Thượng đế, ‘y chang’ như Ngài nghĩ.

Vẻ đẹp của Mô Hình Chuẩn và Cơ chế Higgs không trực quan gọn gàng như thuyết tương đối hay lượng tử. Có những cái cũng trực quan được, dễ hình dung, nhưng khi đi vào nhiều chi tiết thì tình hình phức tạp hơn. Ở đây chúng ta có ‘vẽ đẹp lạ’ (strange beauty), như tiêu đề của một quyển sách về Murray Gell-Mann, ‘vua của hạt cơ bản’, vì rất nhiều thứ đều lạ mắt cả. (Dĩ nhiên thuyết thương đối hay lượng tử đều lạ mắt cả). Lạ và, xét về kỹ thuật, cũng phức tạp nữa. Ở tận cùng đáy sâu của chân lý, tạo vật không quá đơn giản. Vì thế nên nhà vật lý lý thuyết Sidney Coleman của Đại học Havard, học trò của Murray Gell-Mann, mới dám nói một cách ‘khiêu khích’ rằng, một ngàn nhà triết học trong một ngàn năm cũng không khám phá được những gì mà cuộc cách mạng vật lý của thế kỷ hai mươi đã mang lại về nhận thức cho nhân loại. Tuy nhiên, mọi thứ đều có thể hiểu được cả: “Không phải Chúa biết, tôi biết, mà cuối học kỳ, các bạn cũng sẽ biết” như một trong những câu nói nổi tiếng của Sidney Coleman.

Mô Hình Chuẩn và hạt Higgs thuộc khoa học cơ bản, trước mắt phục vụ việc tìm kiếm những nguyên lý tối hậu của vũ trụ, thỏa mãn sự tò mò vô hạn của con người từ bao đời trong khoa học, chứ không ai nghĩ để làm một ngành công nghiệp ‘quarkonics’ với các hạt cơ bản quark của vật chất, như đã từng xảy ra với electron. Có thể có người nói nó ‘vô bổ’ và ‘tốn kém’. Tốn kém thì đúng. Nhưng ‘vô bổ’ thì chưa chắc. Sau một buổi diễn thuyết nổi tiếng về hiện tượng điện của Faraday tại Royal Society, một vị dân biểu của quốc hội Anh hỏi: “Công dụng của tất cả những thí nghiệm đẹp kia là gì?”. Faraday trả lời một cách gián tiếp: “Công dụng của một đứa trẻ mới sinh ra là gì?”. Đứa trẻ sau đó đã trở thành nền công nghiệp điện. Khi J.J. Thomson tìm được electron, điện tử, có người đã ‘chúc mừng’ mỉa mai ông, rằng mong hạt đó sẽ ‘sống mãi’. Rồi ngành kỹ nghệ electronics ra đời.

Trong thời đại Mô Hình Chuẩn, world wide web là một sản phẩm phụ của CERN nhưng đã có trị giá thương mại nhiều trăm tỉ đô la, nếu không nói hơn, so với đầu tư tìm hạt Higgs ở CERN vào khoảng 10 tỉ đô la. Đâu ai biết được tương lai xa.

Nhân loại vẫn còn nhiều tham vọng phía trước, bởi tất cả các lực của vũ trụ chưa được thống nhất vào một mối. Chúng phải xuất phát từ một luật tổng thể nào thuở xưa khi thế giới còn nóng bỏng, ở đó tồn tại một ‘siêu đối xứng’. Với sự phát hiện hạt Higgs, một chương mới của lịch sử vật lý mở ra mà người ta chưa thấy hết được tầm hệ quả. Các chương trình như Grand unification (Đại thống nhất), Supersymmetry (Siêu đối xứng) và String theory (Lý thuyết dây) với các chiều dư không-thời gian (space - time extradimension) là những dự tính còn ở phía trước. Mô hình Chuẩn có thể phục vụ như một ‘bàn đạp’ hay ‘trạm trung chuyển’, một ‘hệ qui chiếu’ để con người tiến đến những ‘vì sao’ xa hơn trong vũ trụ tri thức mênh mông.

Kể chuyện hạt Higgs ‘không phải chỉ có hạt Higgs’. Mà phía sau là cả một lịch sử phát triển của vật lý hạt đầy kịch tính. Khi Peter Higgs được yêu cầu kể về công trình của ông cho người không chuyên nghiệp nghe, ông bối rối: “Điều đó khó, vì người ta phải trở về thời xa xôi của lịch sử vật lý cho đến tận những nền tảng (của nó)”. Sau đó ông bắt đầu câu chuyện bằng Big Bang với những tên của các lực và của những nhà vật lý như những anh hùng với các chiến tích như trong chuyện cổ tích cho trẻ em.

clip_image004[4]

Nội dung của Kỷ yếu gồm có các phần lý thuyết, lịch sử, cuộc tìm kiếm bằng thực nghiệm qui mô, và phần nhân văn về mối quan hệ giữa khoa học và xã hội. Phần lịch sử cuộc tìm kiếm thực nghiệm hạt Higgs của các chương 2-3 và 4 đi vào chi tiết với các cây bút chuyên gia quốc tế hàng đầu. Hiểu được phần nào công việc này, mới hiểu thêm cái vinh quang của cuộc tìm kiếm vô cùng công phu. Công trình này là cả một ‘kỳ quan’ của trí tuệ.

Kỷ yếu đặc biệt vui mừng nhận được «Đôi lời mở đầu» của GS Ngô Bảo Châu. Đây không phải là lời giới thiệu thông thường để tạo PR cho Kỷ yếu. Thực tế, GS Ngô Bảo Châu đã tiết lộ sự áp dụng ý tưởng của Cơ chế Higgs để giải quyết Bổ đề toán học Langlands của giáo sư. Đó là một khám phá vô cùng thú vị. Những lý thuyết của vật lý, khi thành công, có thể có những ảnh hưởng vào toán học. Và ngược lại, những lý thuyết toán học đi trước bỗng nhiên một ngày nào đó có ảnh hưởng vào vật lý như ‘đúc’. Đó là một sự thật kỳ thú của lịch sử.

Chúng tôi hy vọng, quyển kỷ yếu hạt Higgs sẽ góp phần đánh thức sự tò mò, thúc đẩy không khí yêu thích khoa học, lý thuyết lẫn thực nghiệm hay áp dụng, đang rất cần cho cuộc đổi mới và xây dựng đất nước. Việt Nam phải làm ‘người trong cuộc’ của nền khoa học thế giới, và giàu có, phát triển, hoặc làm ‘người ngoại cuộc’ và nghèo khó, lạc hậu. Khoa học được xuất hiện từ một cấu trúc xã hội, như một loại cây ghép cành, và trở lại phục vụ xã hội đó một cách đích đáng.

Thành tựu khoa học là sự thể hiện của văn hoá. Phương Tây từ lâu là miền đất có đầy đủ những điều kiện chính trị, xã hội, kinh tế thuận lợi nhất để khoa học phát triển. Phương Tây đã bứt đi khỏi các nền văn hoá khác từ những thế kỷ 16, 17 trở đi dựa trên sức mạnh của các khám phá khoa học, công nghệ. Nhưng các quốc gia khác cũng đang cải thiện mình và tham gia ngày càng hiệu quả vào sự phát triển khoa học của thế giới. Khoa học không còn là một ‘độc quyền’. Châu Á, một châu lục đang vươn lên mạnh mẽ, đã có những đóng góp rất quan trọng cho sự hình thành của Mô hình chuẩn, từ Nhật bản (với Yukawa, Tomonaga, Sakata, Nambu, Kobayashi, Maskawa), từ Ấn độ, Pakistan (với Bose, Salam), từ Trung quốc (với Yang, Lee, Wu, Ting), và từ Hàn quốc (với Benjamin Lee). Lịch sử cho thấy, những dân tộc nào có óc tò mò cao, thường được đền đáp bằng sự phồn vinh xã hội. Nhật Bản cũng đang tham vọng xây một máy gia tốc lớn để quy tụ tri thức nhân loại về châu Á.

Chương cuối của Kỷ yếu đề cập mối quan hệ giữa khoa học và xã hội với nhiều đóng góp rất thú vị. Xã hội Việt Nam chỉ mới có cột đỡ nhân văn, văn chương thi phú và tinh thần bất khuất chống ngoại xâm đến cùng, nhưng chưa có cột đỡ khoa học vững chắc để tạo nên sự phồn vinh, sức mạnh, và đổi mới văn hóa truyền thống đang thiếu chất sống. Người làm khoa học cảm thấy còn lạc lõng. Ở các xã hội phát triển, khoa học là nhân tố trung tâm thấm đẫm các định chế của xã hội, và đại học là những nơi làm ra khoa học, tri thức. Khoa học như các hồng huyết cầu lưu chuyển trong mạch máu để đem đến sự sống cho từng tế bào cơ thể, trực tiếp hay gián tiếp, luôn luôn được sinh ra bất tận. Xã hội nào thiếu khoa học thấm đẫm như thế, xã hội đó yếu ớt và dễ bị bịnh hoạn. Các ‘cuộc chiến kinh tế’ giờ đây là cuộc chiến của các khoa học, công nghệ. Các cuộc chiến tranh bằng súng đạn lại càng như thế. Xưa nay vẫn thế. Tương lai vẫn thế. Thế chiến thứ II lại càng chứng tỏ hơn bao giờ hết là một cuộc chiến tranh của khoa học và công nghệ ở cấp độ cao cấp nhất, tinh vi nhất. Và khoa học có những qui tắc đạo đức nhất định của nó đối với lương tâm mà nếu không được tuân thủ, khoa học chỉ là sự dối trá phá hoại hơn là có lợi cho xã hội, và là ‘một sự tàn rụi của tâm hồn’, như François Rabelais viết.

Chúng tôi mong mỏi quý độc giả quảng bá cho câu chuyện lịch sử Mô hình Chuẩn, hạt Higgs và cuộc truy tìm nó, cũng như truy tìm các hạt cơ bản, trong tinh thần thông tin, giáo dục và truyền cảm hứng, là ‘tôn chỉ’ của các số kỷ yếu, và xin đón nhận kỷ yếu với sự lượng thứ cho những thiếu sót tồn tại do lực bất tòng tâm.

Xin chân thành cám ơn.

Nhóm chủ biên

(1) NXB TRI THỨC, Hà Nội, tháng Ba, 2014.

clip_image006[4]

Mục lục

Đôi lời mở đầu

GS Giải Fields Ngô Bảo Châu

i

Lời giới thiệu

Nhóm chủ biên

iii

Lời phi lộ

Nguyễn Xuân Xanh
và Phạm Xuân Yêm

vii

CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH CHUẨN VÀ HẠT HIGGS

Mô hình Chuẩn của vật lí hạt cơ bản

Phạm Xuân Yêm

3

Nhóm tái chuẩn hoá: Một cuộc cách mạng về nhận thức

Đàm Thanh Sơn

67

Hạt Higgs và Chúng ta

Nguyễn Xuân Xanh

73

Vật lí: Những gì chúng ta biết và chưa biết

Steven Weinberg

197

Siêu dẫn

Thân Đức Hiền

209

Boson Higgs và lí thuyết lạm phát của vũ trụ

Nguyễn Tiến Bình

227

Tiếp sau Higgs là bài toán ED?

Cao Chi

249

Câu chuyện “hạt của Chúa“ đã kết thúc?

Phạm Việt Hưng

265

Richard Feynman và Vật lí đương đại

Nguyễn Đức Tường

283

Murray Gell-Mann

Nguyễn Xuân Xanh

299

Enrico Fermi

Nguyễn Xuân Xanh

305

Hideki Yukawa

Nguyễn Xuân Xanh

309

CHƯƠNG 2. CERN: CUỘC PHIÊU LƯU KÌ THÚ
CỦA HỢP TÁC KHOA HỌC QUỐC TẾ

Máy gia tốc liên hợp

Pierre Darriulat

321

Mục đích cao cả

François de Rose

325

Một cuộc phiêu lưu kì diệu

Carlo Rubbia

329

Xây dựng những cầu nối

Robert Eisenstein

333

Các đối tác thực thụ và bình đẳng

Nicolas Koulberg

335

Mảnh đất màu mỡ

Robert Cailliau

337

Trung tâm Lí thuyết ở CERN

John Iliopoulos

339

Con tàu trong chai

Marzio Nessi

343

Pakistan và CERN

Hafeez Hoorani

345

CERN: một trải nghiệm độc nhất vô nhị

Egil Lillestøl

347

CHƯƠNG 3. HÀNH TRÌNH TÌM KIẾM BOSON HIGGS

Hành trình tìm kiếm hạt boson Higgs: Thí nghiệm ATLAS và CMS tại Máy gia tốc đối chùm hadron

M. Della Negra (CMS), P. Jenni
(ATLAS) và T.S. Virdee (CMS)

355

CHƯƠNG 4. MÁY GIA TỐC ĐỐI CHÙM VÀ CÁC HỆ ĐO

Tổng quan về máy gia tốc đối chùm LHC

(Dựa trên bài viết của Phillippe Lebrun và Báo cáo thiết kế LHC)

385

Phê duyệt đề án

Lyn Evans

401

Ngân sách, chi phí và mua sắm

Anders Unnervik

405

Ngày 24 tháng 9 năm 2008

Lyn Evans

409

Ghi nhận hạt tại LHC: Lời giới thiệu

Tejinder Virdee

413

Những kinh nghiệm từ quá trình xây dựng

Daniel Froidevaux
và Paris Sphicas

429

Phân tích số liệu LHC và GRID

John Harvey, Pere Mato
và Les Robertson

443

Câu chuyện sinh động về sản phẩm phụ hữu ích

Philip Bryant

455

CHƯƠNG 5. HÀNH TRÌNH KHÁM PHÁ HIGGS VÀ KHOA HỌC VIỆT NAM

Phản biện để phát triển

Pierre Darriulat

463

Khoa học công nghệ và “sĩ, nông, công, thương” thời hiện đại

Trương Văn Tân

469

Khi văn chương vinh danh khoa học

Cao Huy Thuần

479

Khoa học và văn hóa

Nguyễn Văn Trọng

497

Đạo đức trong sự vận hành của hệ thống nghiên cứu khoa học

Nguyễn Đức Hiệp

503