GIẢI NOBEL VẬT LÝ 1995
Giải Nobel Vật lý năm 1995 được trao cho giáo sưngười MỹMartin L. Perl
tạiĐại học Stanford ởStanford (California, Mỹ) “do phát minh ra lepton tau” và
giáo sưngười MỹFrederick Reines tạiĐại học California ởIrvine (California, Mỹ)
“do khám phá ra neutrino”. Hai nhà khoa học Mỹ đã có những đóng góp thực
nghiệm mở đầu cho vật lý lepton.
Loài người luôn luôn phải tìm lời giảiđáp cho các câu hỏi mang tính triết
học và vật lý như“vũtrụbao gồm những cái gì?”, “Các thành phần nhỏnhất của vũ
trụlà gì và chúng có những tính chất nhưthếnào?”, “Chúng có thểcung cấp cho
chúng ta điều gì vềlịch sửcủa vũtrụvà tương lai của nó?”.v.v... Perl và Reines đã
phát hiện ra hai hạt cơbản dưới nguyên tử đáng chú ý nhất của tựnhiên.
Perl và các cộng sựthông qua một loạt các thực nghiệm tiến hành từnăm
1974 đến năm 1977 tại Trung tâm máy gia tốc thẳng Stanford (SLAC) ởMỹ đã phát
hiện ra rằng electron có khối lượng nặng hơn khoảng 3 500 lần so với một hạt gọi
là tau.
Reines cùng với Clyde L. Cowan trong những năm 1950 đã có những đóng
góp mở đầu mà chúng dẫnđến chứng minh thực nghiệm của họvềsựtồn tại của
phản neutrino của electron.
Các nhà vật lý tin rằng toàn bộvật chất nhưvật chất trong các cơthểriêng
của chúng ta bao gồm các quark và lepton. Quark là hạt nặng và lepton là hạt nhẹ.
Có hai loại quark mà chúng được coinhưcác viên gạch xây dựng của hạt nhân
nguyên tử. Lepton ởbên ngoài hạt nhân nguyên tửvà cũng gồm hai loại là electron
có điện tích và khối lượng đođược và neutrino không có điện tích và khối lượng.
Họquark-lepton này gồm bốn thành viên và đủ để cấu thành toàn bộvật chất
trong vũtrụhiện nay.
Vũtrụ đã có một lịch sửlâu dài. Trong các giai đoạn ban đầu của nó, các điều
kiện cực kỳkhác với các điều kiện bây giờ. Khi đó, nhiệtđộ rất cao và mậtđộ năng
lượng rất lớn. Các điều kiện khí hậu thời tiết nhưthế đã làm nảy sinh các họquark-
lepton khác. Nhờcác máy gia tốc, các nhà vật lý đã tái tạo trong những khoảng thời
gian ngắn những điều kiện giống nhưnhững điều kiện trong các giai đoạn ban đầu
của vũtrụ. Trong những điều kiện nhưthế, có thểxuất hiện họquark-lepton thứ
hai và thậm chí cảhọquark-lepton thứba. Chỉcó ba họquark-lepton trong vũtrụ.
Các nhà vật lý đã chứng minh rằng không có họthứtưcủa các quark và lepton
trong vật lý hạt cơbản.
Một loạt phát minh tạo ra nền tảng cho mô hình ba họquark-lepton. Hai
trong sốcác phát minh này đã được nhận Giải Nobel Vật lý năm 1995 và đều liên
quan đến phát minh ra các lepton trong đó một lepton thuộc vềhọquark-lepton
thứnhất và một lepton thuộc vềhọquark-lepton thứba. Cảhai phát minh này đưa
ra các câu trảlời cho các câu hỏi cơbản và sâu sắc trong vật lý.
Phát minh tau của Perl là dấu hiệuđầu tiên vềsựtồn tại của “họ” thứba của
các viên gạch xây dựng cơbản. Một vài năm sau đó, người ta phát hiện thấy một
viên gạch xây dựng khác là quark đáy (bottom quark) - một trong hai quark của họ.
Không đến 18 năm sau, người ta phát hiện ra quark khác gọi là quarrk đỉnh (top
quark). Sựtồn tại của họthứba là rất quan trọng đối với lòng tin của các nhà vật lý
vềmô hình lý thuyết hiện nay để hiểu các tính chất của các thành phần nhỏnhất
của tựnhiên. Mô hình này được gọi là mô hình chuản. Nếu không có họthứba, mô
hình chuẩn sẽkhông hoàn chỉnh và không thểthừa nhận cái gọi là vi phạmđiện
tích (charge) và tính chẵn lẻ(parity) (gọi chung là vi phạm CP) . Sựvi phạm CP là
một nguyên lý đối xứng cơbản mà nó chẳng hạn qui định sựphan rã hạt. Nhờphát
hiện ra vi phạm này, Cronin và Fitch được trao Giải Nobel Vật lý năm 1980. Nếu
phát hiện ra một họthứtưcủa các quark và lepton, điều này có nghĩa là mô hình
chuẩn cần phảiđược xem xét lại và cần xây dựng lại vật lý hạt cơbản một cách
tổng quát hơn.
Cùng với Clyde L. Cowan vềsau, Reines đã dò được neutrino - lepton chịem
với electron trong họquark-lepton thứnhất thậm chí trước khi đua ra khái niệm
họ. Phát minh này đã được chờ đợi từlâu. Trong gần 25 năm, các nhà vạt lý chờ
đợi một người nào đó thực hiệnđược kỳcông này. Trong lúc ấy, neutrino là một sự
tưởng tượng của các nhà vật lý để “cứu vớt”định luật bảo toàn năng lượng trong
các loại phân rã phóng xạnào đó. Nhưng dường nhưkhông thểxác minh sựtồn tại
thực tếcủa neutrino.
Quan sát neutrino đầu tiên của Reines và Cowan là mộtđóng góp mởdầu và
đóng góp này mởra vùng của các thực nghiệm neutrino “không thểlàm được”.
Hiện nay, chúng ta đang cốgắng bẫy bắt các neutrino trong bức xạvũtrụ. Bức xạ
này có thểcó nguồn gốc trong Mặt Trời hoặc trong các vụnổsao. Do buộc phải cho
các neutrino phảnứng với hạt nhân nguyên tử để bắt chúng nên đòi hỏcác thểtích
máy dò rát lớn. Trong lúc Reines và Cowan trong những năm 1950 dùng khoảng
nửa mét khối nước trong máy dò của họ, các thực nghiệm phạm vi lớn trong
những năm 1990 dùng hàng nghìn nét khối nước. Một sốthực nghiệm thậm chí sử
dụng biển hoặc băng bao quanh nhưlà thểtích máy dò của chúng.
Các cấu trúc nhỏnhất của tựnhiên đã được nghiên cứu là 12 loại hạt vật
chất gồm 6 loại quark và 6 loại lepton.Mỗi loại hạtđều có phản hạt của nó. Phản
hạt là một loại“ảnh gương” của hạt. Tên của một hạt cũng bao hàm cảphản hạt của
nó. Cũng nhưcác quark và lepton này, có các loại hạt dưới nguyên tửkhác gọi là
các hạt lực vì chúng có trách nhiệmđối với ba loại lực cơbản của tựnhiên là lực
mạnh, lựcđiện từvà lực yếu. Các lực hấp dẫn tác dụng ngoài phạm vi của của ba
loại lực này. Sựkhác biệt cơbản nhất giữa quark và lepton là ởchỗlepton không bị
ảnh hưởng của lực mạnh.
Một tính chấtđáng chú ý của các hạt vật chất là chúng thểhiện “tưcách họ
(family affiliation)”. Mô hình chuẩn gồm ba họhạt cơbản mà mỗi họgồm 2 quark
và 2 lepton. Họthứnhất gồm 2 quark u, d và 2 lepton e, n e. Họthứhai gồm 2
quark c. s và 2 lepton m , n m . Họthứba gồm 2 quark t, b và 2 lepton t , n t . Bằng
nhiều cách, ba họnày xửsựnhưcác bản sao của nhau. Đây có phải là một nguyên
lý cơbảnđể chứng minh sựtồn tại chỉcủa ba loại họhay không? Đó là một trong
các câu hỏi chưa có lời giảiđáp trong vật lý.
Các quark của họthứnhất là “quark lên (up quark) (u)” và “quark xuống
(down quark) (d)”. Họthứnhất có các lepton là electron (e) và neutrino electron
(n e). Hai quark tạo thành các proton và neutron mà chúng tạo thành hạt nhân
nguyên tửvà do đó hơn 99% toàn bộvật chất của Trái Đất. Phần nhỏcòn lại là các
electron. Neutrino electron có thể được hình dung rất thô kệch nhưmột electron
bịlấy mấtđiện tích và khối lượng. Neutrino electron có khối lượng rất nhỏkhông
đáng kểhay không có khối lượng ? Đó là một câu hỏi khác chưađược giảiđáp.
Reines và Cowan đã bắtđược neutrino electron tại phòng thí nghiệm khoa họcở
Los Alamos.
Trong những năm 1960, nhiều nhóm nghiên cứuđã tiến hành các thực
nghiệm mà một trong các mụcđích của chúng là phát hiện ra các hạt tích điện mới
trong đó có các lepton mới. Một cách tiếp cận là tìm kiếm các hạt mới trong các sản
phẩm của sựphân rã các hạt sẵn có nhưcác kaon. Một cách khác là cốgắng tạo ra
các hạt mới trong một máy gia tốc chẳng hạn bằng các va chạm giữa các electron
có năng lượng cao và một bia. Perl là thành viên của một nhóm nghiên cứu mà
nhóm này đã tiến hành một thực nghiệm nhưthếtại SLAC năm 1966. Nhóm này
không phát hiện thấy một lepton tích điện mới nào. Năm 1973 một thiết bịmới
đượcđưa vào hoạt dộng tại SLAC gọi là SPEAR. Đó là một bộva chạm electron-
positron. Đây là máy gia tốc mạnh nhất thếgiới. Một bộva chạm nhưvậy là một
ước mơcủa ngườiđi săn lepton. Cơchếsinh ra các lepton tích điện mới (X+, X-)
khá đơn giản và dễgiải thích theo phảnứng electron + positron® X+ + X-. Bộva
chạm SPEAR tạo cho Perl một cơhộiđặc biệtđể tiếp tục việc tìm kiếm lepton mới
trướcđây của ông trong một vùng năng lượng mới và không thểcó được trướcđây
là 5 MeV (5 nghìn triệu electron von). Chỉsau một năm, Perl và cộng sựphát hiện
ra mộtđiều gì đó nhưlà báo hiệu cho việc sinh ra một loại lepton mới và họcông
bốcác kết quảnghiên cứuđầu tiên vào năm tiếp theo. Sau đó một vài năm, họmới
có thểtin chắc rằng họ đã thực sựphát hiện ra lepton mới. Lepton mới này được
đặt tên là lepton tau (t theo chữHy Lạp). Đây là thành viên đầu tiên của họquark-
lepton thứba (họquark-lepton cuối cùng).
Thực nghiệm của Perl và cộng sự đã ghi nhận các va mặt giữa các electron
và các phản hạt của chúng là các positron. Đặt một máy dò hình trụlớn vào trong
một từtrường và từtrường này bao quanh vùng va chạm. Máy dò gồm nhiều
thành phần trong đó có một sốbuồng tia lửa dây cùng với các máy đếm mưa
(shower counter) làm bằng các bộnhấp nháy chì và một vài buồng tỷlệ. Chỉbáo
đầu tiên vềmột hiện tượng mới khảdĩlà nhóm nghiên cứu quan sát thấy 24 sự
kiện kiểu electrron + positron ® electron + phản muon + i.p. hoặc electron +
positron ® positron + muon + i.p. trong đó i.p. là các hạt không nhìn thấy (các hạt
rờiđi mà không để lại vết trong máy dò). Do đó chỉcó một electtron (hoặc
positron)và một phản muon (hoặc muon) với dấuđiện tích ngược lạiđược ghi lại.