Kết thúc cơn hạn lớn

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'kết thúc cơn hạn lớn', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Kết thúc cơn hạn lớn

K t thúc cơn h n l n Trong hơn 20 năm, lí thuy t h t ã b th c nghi m xa ng sau bư c chân c a nó. Michael Riordan hi v ng Máy Va ch m Hadron L n s giúp mang n n v t lí h t tr l i c i ngu n th c nghi m c a nó. V i Máy Va ch m Hadron L n (LHC), s s ng ã chuy n sang xuân t i phòng thí nghi m CERN g n Geneva, cơn h n hán s li u l n trong ngành v t lí h t cơ b n cu i cùng ã g n k t thúc. Không ph i vì pha th hai c a Máy Va ch m Electron-Positron L n (LEP) c a CERN b t u ho t ng vào năm 1996 trong lĩnh v c này ã có th kh o sát vùng t còn trinh nguyên và o c nh ng hi n tư ng kì l và th t s m i. Và c máy ch làm g p ôi ngư ng năng lư ng c a các máy va ch m electron-positron trong nh ng lĩnh v c ã ư c kh o sát t ng ph n b ng Tevatron t i Fermilab Mĩ. Các nhà nghiên c u t i nh ng c máy va ch m này – t ng m nh nh t th gi i trong hơn m t th p k - ch có th bóc ra l p v ngoài c a cái chưa bi t. Nhưng LHC, xây d ng b ng cách l p t hàng nghìn nam châm siêu d n trong ư ng h m LEP, s cho phép các nhà v t lí thâm nh p sâu hơn vào trái tim t i tăm c a nó. ó, h h u như nh t nh s khám phá ra cái gì ó khác m t cách căn b n. Mô ph ng m t l en vi mô t o ra b ng hai proton va ch m 112 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Khi cu i cùng ã t ư c các thông s thi t k c a nó, LHC s có năng lư ng va ch m g p 7 l n Tevatron. Và t c va ch m proton-proton tuy t i l n c a c máy, cái các nhà v t lí g i là “ r i” c a nó, v cơ b n s cao hơn 100 l n so v i t h p va ch m Mĩ hi n nay. Cùng v i nhau, nh ng ti n b này trong công ngh máy gia t c s m r ng ngư ng th c nghi m c a ngành v t lí năng lư ng cao ngo n m c g n như các máy va ch m h t bu i u ã t ng làm – ADONE Italy, Các vòng tr giao nhau (ISR) CERN, và SPEAR t i Trung tâm Máy gia t c th ng Stanford (SLAC) – trong th p niên 1970, m t th p k d d i ã lên t i nh i m mô hình th ng tr ngày nay c a ngành v t lí h t, Mô hình ChuN Ngư i ta trông n. i cao r ng các h t s m xu t hi n t i CERN s có t m quan tr ng ngang ng a ho c th m chí còn vư t quá so v i nh ng khám phá ã ưa n thành t u này. Th t là m t s ch i lâu, quá lâu. Trong nh ng th p k ch i, lí thuy t h t ã nh y xa ra kh i th c nghi m, n nh ng m c năng lư ng không th t t i và nh ng kho ng cách nh xíu tương ng mà con ngư i không bao gi có th hi v ng tr i nghi m qua – ít nh t cũng là không ph i tr c ti p. Cái u tiên xu t hi n là siêu i x ng trong th p niên 1970, m t nhánh tăng trư ng c a các lí thuy t chuN ã t ra h t s c thành công trong s h p nh t các l c y u và l c n i n t . Các lí thuy t SUSY này, như tên g i c a chúng ư c bi t t i, ã m r ng chương trình th ng nh t b i vi c h p nh t l c m nh và l c i n y u vào trong m t t ng th l n, ch a ng t t c . Chúng còn tiên oán m t s th a th i các h t m i có th phát hi n ư c có kh i lư ng hàng ch c n hàng trăm l n l n hơn kh i lư ng c a h t proton quen thu c. Cái khi n cho th c nghi m tiêu tan hi v ng và hoàn toàn không có kh năng ph n ng có ý nghĩa là các lí thuy t dây c a th p niên 1980. Không h có b t kì tiêu chuN chung nào có th n thN tra m h n ch s phát tri n c a chúng, các lí thuy t sơ khai ó b t u bùng phát g p b i ki u như nh ng chú th Úc châu. Tiêu chuN duy nh t h n ch s lư ng c a chúng là các tiêu n chuN ch quan như tính nh t quán và tính tao nhã v m t toán h c. Các s gia khoa h c b t n u lưu ý m t s chuy n d ch tinh vi nhưng quan tr ng trong cách làm v t lí, trong ó các quan sát dư ng như ch ng còn là v n gì nhi u – ít nh t là không ph i v i các nhà lí thuy t dây – trong ti n trình ch ng th c các lí thuy t. Các nhà v t lí h t ch có th phàn nàn, và m t s th t s quá k ch li t, r ng lĩnh v c nghiên c u ang tr l i thành siêu hình h c và tri t h c. T mi ng gi rách n v t báu Tr ng thái áng ti c này c a câu chuy n khoa h c th t may la ang n h i k t thúc. Hai máy dò h t kh ng l c a LHC, ATLAS và CMS – c hai nh p l i kim lo i d ng l i tòa tháp Eiffel – s s m b b n phá liên t c b i nh ng s lư ng kh ng khi p các h t năng lư ng tính kh c 113 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
ra t các va ch m proton-proton d d i gi a c a chúng. Trong khi Tevatron cung c p cho các nhà v t lí cái nhìn vào các h t và nh ng quá trình x y ra nh ng năng lư ng lên t vài trăm t nh ng kho ng cách xu ng t i g n 10-18 m, thì LHC s cho phép h quan sát cái electron-volt và x y ra vài nghìn t electron-volt (TeV) và nh ng kho ng cách nh hơn 10 l n. M t trong nh ng m c tiêu ban u s là boson (hay các boson) Higgs săn tìm lâu nay và ã t n nhi u công dò tìm, tr c t c a Mô hình ChuN ư c cho là nhúng chìm a s th c t cơ s n khác c a nó v i các kh i lư ng n i c a chúng. Các thí nghi m t trư c n nay t i LEP và Tevatron ràng bu c kh i lương c a m t boson Higgs chuNn, c l p n m gi a 0,114 và kho ng 0,150 TeV, m t ngư ng năng lư ng th p và r t h p, v i nh ng kh năng hi n có. Nhưng Tevatron có r i âu ó g n như LHC, chúng t ra thi t y u trong vi c l n theo bóng ma hay lN tránh, hi m hoi này. Các nhà nghiên c u Fermilab v n có th b t g p m t cái nhìn thoáng n nhanh c a boson Higgs trong các phép ch y th c nghi m v n còn ho t ng c a h , nhưng vi c khám phá chính th c, không gian d i c a nó h u như ch c ch n s c n n LHC. M t nhà th c nghi m ang ng trư c ATLAS, m t trong hai máy dò h t chính t i Máy Va ch m Hadron L n. 114 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Nhưng kh i lư ng th p m t cách l kì c a boson Higgs còn có m t nan gây nghi v n khác g i là “bài toán c p b c kh i lư ng”. Theo lí thuy t trư ng lư ng t , các hi u ch nh lư ng t kh ng l s nâng kh i lư ng c a boson Higgs (và c a các h t sơ c p khác) lên g n m c kh i lư ng Planck 1016 TeV, b c l n cao hơn so v i yêu c u b i các thí nghi m chính xác. Cái gì gi cho kh i lư ng c a nó th p như v y ? Siêu i x ng mang l i m t câu tr l i khéo léo, n u không n ng n , cho bài toán này b i vi c tiên oán s t n t i c a các h t ng hành siêu i x ng cho t t c các h t Mô hình ChuN – n m t photino cho photon, m t selectron cho electron, m t squark cho m i quark, và vân vân. Các h t kì l như v y t nhiên tri t tiêu các hi u ch nh kinh kh ng này trong lí thuy t và gi cho kh i lư ng c a các h t Mô hình ChuN tương i th p. M c dù các siêu h t này có th cân n ng v cơ n b n cao hơn các h t ng hành Mô hình ChuN c a chúng, nhưng chúng không th có kh i lư ng n trên m t vài TeV. N u siêu i x ng th t s là l i gi i t i h u c a bài toán phân c p, thì các h t này cu i cùng ph i xu t hi n t i các m c năng lư ng LHC. Tuy nhiên, vi c phát hi n các siêu h t th t s ch ng d dàng gì. Có nhi u n m c gây hoang mang các lí thuy t có kh năng, ưa n vô s tiên oán cho các h t có th quan sát ư c v i m t ngư ng r ng các kh i lư ng và phân h y ti m năng. úng như nhà lí thuy t SLAC James “BJ” Bjorken ã có l n c nh b o v i tôi, “SUSY là m t cô gái h t s c khó chinh ph c!” M tv n n a là a s siêu h t s phân h y thành các h t không nhìn th y thoát ra kh i máy dò không th quan sát ư c. Nh ng s ki n như v y do ó s tr nên hi n nhiên như không th tìm th y năng lư ng ngang– m t s m t cân b ng trong s phân b c a năng lư ng kh ki n vuông góc v i hư ng chùm h t. Tuy nhiên, nh ng thi u h t tương t cũng có th b gây ra b i các h t Mô hình ChuN không nhìn th y như các neutrino hay b i các khe tr ng trong góc phân kì c a n máy dò h t. Vì th , xác minh m t h t m i và b t thư ng th t s có m t bên trong máy dò h t c a h , các nhà th c nghi m ph i tính toán chính xác và lo i tr t t c phông n n như v y, chúng có th v th c ch t l n hơn tín hi u mà h ang c trích ra. ây là m t nhi m v h t s c khó khăn, b ph c t p hóa b i th c t tín hi u như trông i có th s không xu t hi n d ng m t c c i c ng hư ng s c nh n mà thay vào ó s b m r ng b i chuy n ng h n lo n c a các quark và gluon bên trong các proton ang va ch m – m t quá trình l n x n mà nhà lí thuy t Richard Feynman ã có l n so sánh là “cho va ch m thùng rác v i thùng rác” th y cái gì bên trong. Trái l i, vi c thu nh t các tín hi u b t ng ưa n b ng ch ng u tiên cho các quark vào cu i nh ng năm 1960 và u nh ng năm 1970. Các tín hi u này th t l n – hơn nhi u b c ln so v i phông n n v n còn l i sau khi các c t gi m ơn gi n ã ư c áp d ng cho d li u lo i 115 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
tr các t p nham rõ ràng. Ví d , các máy dò h t ISR th h u tiên ã b nh n chìm b i cơn lũ hadron phun ra nh ng góc l n t các va ch m m nh c a các quark và gluon thành ph n c a các proton. Và vào tháng 11 năm 1974, m t c c i h p ã nhô lên trong ti t di n s n sinh hadron t i máy va ch m h t electron-positron SPEAR trên ranh gi i ó kho ng 100 l n. Các tín hi u bom t n này th t ch ng th nào b l ư c! N u như chúng t n t i, các siêu h t s không l i v t chân rõ ràng nào như v y trong hai chương trình h p tác thí nghi m LHC công nghi p n ng, m i chương trình g m hơn 1000 nhà v t lí. Vi c l n theo m t con m i phù du, hay l ng tránh như v y có th t ra là m t công vi c gian khó, y tr c tr . ây là nơi tính ch quan có th len sâu vào công trình th c nghi m. Nhi u nhà v t lí, nhà lí thuy t và nhà th c nghi m tha thi t mu n th y s th t ch ng t s siêu i x ng, vì nó gi i ư c nhi u v n mè nheo m t lư t m t. Không nh ng nó gi i ư c bài toán phân c p, mà nó còn có th d dàng gi i thích cho v t ch t t i bí N trong vũ tr , b ng ch ng gián ti p cho n v t ch t t i tr nên áp o. Và các lí thuy t dây c n n nó vô i u ki n. Nhưng ng l c u tiên là th c hi n nh ng khám phá quan tr ng có th ưa các nhà th c nghi m n ng nhi t làm cho kh p các c t gi m d li u, các phông n n không úng m c, và như v y vô tình ã làm gi các k t qu mà h mong m i mu n khai phá. Các nhà v t lí khóc tìm h t Higgs Quá trình y r i ro này xu t hi n quá thư ng xuyên trong l ch s v t lí h c, và các khám phá boson Higgs gi m o có v là nh ng thí d nh t nh còn tái di n. M t báo cáo sai ã x y ra t i LEP ngay trư c khi nó óng c a theo l ch nh h i năm 2000. Trong câu chuy n này, cái ã t o ra nh ng dòng tít ch y trang nh t trên nh ng t báo chính như ew York Times, ba trong b n nhóm h p tác LEP ã báo s ki n quá m c – sáu ho c b y, n u không nói t t c - ã háo h c tìm hi u s phân h y c a m t boson Higgs 0,115 TeV. B ng ch ng th t h p d n, nhưng không rõ ràng thuy t ph c ban i u hành CERN kéo dài th i gian t n t i c a LEP vào năm 2001 và vì th làm hoãn vi c xây d ng LHC. Khi b i b m b t u ư c quét d n vài tháng sau ó, hóa ra là các nhà thí nghi m nh t nh ã ánh giá không úng các sai s có th có trong nh ng phép o c a h và như v y ã cư ng i u ý nghĩa th ng kê c a tín hi u bi u ki n. Cái duy nh t cu i cùng h k t lu n là kh i lư ng c a boson Higgs ph i n m trên 0,114 TeV, v i tin c y 95%. V n có m t cơ may r ng hi n tư ng bi u ki n ó th t s là th c, nhưng m t vài nhà v t lí ang ánh cư c trên nó. G n ây hơn, có m t làn sóng tin n tương t r ng m t boson Higgs v i kh i lư ng 0,160 TeV ã ư c thoáng trông th y t i Fermilab vào u năm 2007. Kh năng m t boson như 116 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
v y có th d dàng gi i thích b i m t lí thuy t SUSY sau khi i u ch nh nh các thông s lí thuy t c a nó ã châm thêm d u vào nh ng tin n này – chúng n ra sau khi các k t qu b ti t l ư m t i m t h i th o không chính th c vào tháng giêng hình như v n là ây ch là m t hi u ng “2σ”, m t thăng giáng hai l ch chuN trên các m c phông n n, chúng có th x y ra v i xác n su t 5%. Vì các thăng giáng 2σ x y ra luôn luôn, nên các nhà th c nghi m a nghi thư ng không xem chúng nghiêm túc l m. Ba l ch chuN là t i thi u tuy t i, tương ng v i ch 0,3% cơ h i n thăng giáng ng u nhiên, và 5σ là “tiêu chuN vàng” cho ngành v t lí h t. Nhưng s c quy n rũ c a n vi c tìm ki m b ng ch ng cho siêu i x ng, ư c ti p tay b i các nhà báo háo h c khai thác tin t c, t ra quá khó cư ng l i. Nhà lí thuy t John Ellis, ngư i làm vi c t i CERN và ang m t ngư i ch trương hàng u c a siêu i x ng. Trong khi nh ng làn sóng phê bình tương t có th x y ra t i LHC, nhưng tôi nghi ng r ng thái hoài nghi bN sinh c a các nhà th c nghi m s ki m ch h và cu i cùng chi n m th ng, như nó ã t ng th c hi n trong nh ng trư ng h p trên. Các nhà v t lí h t th c nghi m ã phát tri n các kĩ thu t phân tích th t s m nh m , như s d ng ph n m m phân tích m ng neuron h c trên công vi c và c i ti n khi d li u d n t i, ương u v i các phông n n ngh t th ng 117 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
t i các máy va ch m hadron. H ã b t u khai thác phép phân tích d li u “mù”, trong ó các k t qu cu i cùng ư c th n tr ng khi xem t i cho n khi có d li u vào, h n ch vi c i u ch nh ch quan các c t gi m th c nghi m. Và các quá trình xem xét th n tr ng c a nh ng chương trình h p tác kh ng l này, trong ó các khám phá ư m ch u m t s phê bình nghiêm kh c trong n i b trư c khi tr thành chính th c, làm gi m b t vi c công b các k t qu không chính xác. N u v n còn b t c nghi ng nào, thì t m v i th c nghi m kh ng khi p c a LHC s tác d ng như s phán xét cu i cùng. C máy va ch m này có th t o ra các s ki n v i năng lư ng TeV còn thi u, trong ó a s các phông n n Mô hình ChuN t t gi m xu ng. N u m t tín hi u n SUSY th t s có m t, thì cu i cùng nó ph i n i lên rõ ràng hơn trong vùng này. C u v ng c a l c h p d n M t lĩnh v c khác gây h ng thú lí thuy t và th c nghi m m nh m là kh năng – phát sinh trong th p k v a qua hay kho ng th i gian y – quan sát l c h p d n tác d ng trong các va ch m h t. T t c các lí thuy t dây u bao hàm các chi u không gian thêm vào ngoài ba chi u không gian quen thu c, nhưng trong nh ng h lí thuy t dây nh t nh ã ư c nghiên c u k t gi a th p niên 1990, m t s trong nh ng chi u N náu này l n hơn nhi u so v i thang Planck n -35 10 m thông thư ng. Chúng có th b cu n lên, hay “khép l i”, thang chi u dài lên t i kho ng 10-18 m và v n không vi ph m các ki m nghi m t m ng n hi n có c a l c h p d n Newton. Nh ng chi u dài này tương ng v i thang năng lư ng TeV mà LHC s p kh o sát. Vi c này tương ương v i vi c kéo thang Planck xu ng m t m c năng lư ng th p hơn nhi u, như v y làm cho l c h p d n m nh hơn nhi u so v i chúng ta tr i nghi m nh ng kho ng cách vĩ mô. N u các lí thuy t dây m i hơn này có giá tr nh ng chi u dài và năng lư ng như th , thì các hi n tư ng m i kì l s b t u xu t hi n t i LHC. i v i nh ng ngư i hoài nghi cao như tôi, ây là m t bi n chuy n huy n tho i c a các s ki n. Các lí thuy t dây – hay ít nh t là m t s trong s chúng – co th ưa ra nh ng tiên oán có th xác minh ư c, ki m nghi m ư c! M t bi u hi n kh dĩ c a các chi u thêm vào l n s là s xu t hi n t i LHC c a các tuy n ơn l - các chùm chuN tr c ch t – c a các hadron d i l i trên m t h t không nhìn th y, d n n n năng lư ng b m t theo hư ng ngư c l i. Các s ki n “ ơn tuy n” như v y có th hi u là s s n sinh c a m t gluon c ng v i m t graviton (h t sơ c p gi nh trung chuy n l c h p d n), x y ra vì l c h p d n m nh hơn nhi u thang b c này so v i trư c ây tư ng tư ng. Nhưng gi ng như các s ki n SUSY, các s ki n ơn tuy n này ph i ch u các phông n n Mô hình ChuN to l n, và n các nhà th c nghi m s ph i phân bi t b t kì s vư t tr i nào kh i s xu t hi n c a b n thân SUSY. Cách g n như duy nh t làm như v y là xác nh spin c a các h t không nhìn th y (graviton có spin 2), ó có th là m t công vi c òi h i ph i khép l i v i LHC. 118 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
May thay, có m t tín hi u d phân bi t òi h i b i các lí thuy t v i các chi u thêm vào l n có th quan sát ư c n u như chúng th t s t n t i: các kích thích Kaluza–Klein. ư c tiên oán t n nh ng năm 1920 b i Theodore Kaluza và Oscar Klein, nh ng ngư i nghiên c u các lí thuy t trư ng 5D, ây là các phiên b n a TeV c a photon và boson Z. Chúng s phân h y thành các c p electron-positron ho c muon s n i b t lên kh i các phông n n hadron tính ngh t th c a LHC – gi ng h t như h t J n i ti ng ã t ng làm t i Phòng thí nghi m qu c gia Brookhaven Mĩ vào cu i năm 1974. Th t v y, có th có các “tháp” quan sát ư c c a nh ng kích thích này, các dãy l p l i c a chúng tr i ra nh ng m c năng lư ng ngày càng cao. Nhưng ây m t l n n a, cho dù có th a m a n m c trêu ngươi các c p lepton này, thì các nhà nghiên c u LHC s v n ph i tìm cách phân bi t chúng kh i nh ng kh năng khác. Có nhi u lí thuy t và hi n tư ng ti m năng khác ang ư c các nhà v t lí xem xét khi h ch i cơn lũ d li u to l n mà ngư i ta trông i LHC s mang t i trong vài năm n a. N u l c h p d n th t s tăng lên m nh thang nhi u TeV, ch ng h n, thì các l en vi mô có th ưc t o ra nhi u vô kh i. Cái s xu t hi n t i LHC s v n là tiên oán c a b t kì nhà lí thuy t nào. Có kh năng nh t, m t cái gì ó hoàn toàn b t ng cu i cùng s trình hi n ATLAS và CMS. Khi nào t m v i th c nghi m ư c m r ng xa thêm n a, như l ch s cho th y, thì thư ng s có gì ó xu t hi n. Và t t nhiên s có nh ng l i i mù quáng và ng r sai l m ang ch i các nhà th c nghi m quá háo h c kia c g ng lao vào cu c ua và xây d ng danh ti ng khoa h c c a h . ó là cái ư c trông i trong hành trình bình thư ng c a m t n l c khoa h c li kì như v y. Nhưng m t l n n a, v i s giao nhau kh e kho n, tích c c gi a lí thuy t và th c nghi m, tôi tin r ng s th t cu i cùng s ló d ng t b t kì s h n lo n nào như th - cùng v i di n m o n n v t lí m i n i b t mà m t vài ngư i có th ã tham gia. Michael Riordan, tác gi quy n The Hunting of the Quark. Ông d y v t lí và công ngh t i trư ng i h c Stanford và i h c California, Santa Cruz, Mĩ Ngu n: Ending the great drought (Physics World, tháng 10/2008) hiepkhachquay d ch An Minh, ngày 16/10/2008 119 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay