VũTrụLượng Tử: Cuộc Cách
Mạng Trong Vật Lý hạt Cơbản
thếKỷXXI
Tháng 10 năm 2003 Raymond L.Orbach, Giám đốc VụKhoa học (Office
of Science) của BộNăng lượng Mỹ(U.S. Department of Energy) và Michael
Turner, Trợlý Giám đốc Ban Khoa học Tóan - Lý của QuỹKhoa học Quốc gia
Mỹ(National Science Foundation) đã đồng ký tên một công văn gửi GS.
Frederik Gilman, Chủtịch Hộiđồng Tưvấn Vật lý Năng lượng cao (High
Energy Physics Advisory Panel – HEPAP) đề nghịthành lập mộtỦy ban để
xem xét các vấnđề chính yếu hiện nay trong vật lý năng lựợng cao, vật lý
thiên văn hạt (particle astrophysics) và vũtrụhọc và đề xuất phương hướng
nghiên cứu sắp tới cũng nhưtriển vọng.
HEPAP đã thành lập mộtỦy ban gồm 17 nhà khoa họcđể thực hiện yêu cầu
trên. Và sau đây là tóm tắt báo cáo do Ủy ban đó sọan thảo.
I.- MỞ ĐẦU
Bản chất vũtrụlà gì và nó được cấu tạo từcái gì?
Vật chất, năng lựợng, không gian, thời gian là gì?
Chúng ta xuất hiệnở đây nhưthếnào và đang điđâu?
Việc cốgắng trảlời các câu hỏi cơbản vềvũtrụ đã đạtđến bước ngoặt. Vào những
nămđầu thếkỷXXI, các nhà vật lý đã nắm vững được tính chất các hạt và các lực
đặc trưng cho vật chất thông thường xung quanh chúng ta. Mặt khác, các quan sát
vật lý thiên văn và vũtrụbằng các trạm không gian lại cho thấy bức tranh đó của
vũtrụlà không đầyđủ, vì 95% thành phần vũtrụlại không phải cấu tạo từvật chất
thông thường, mà từmột cái gì khác còn bí ẩn : đó là vật chất tối và năng lựợng tối.
Nhưvậy chúng ta đã nhận thứcđược là thực tếta không biết gì về đại bộphận
những gì tạo nên vũtrụ.
Để hiểuđược vũtrụ“mới” còn chưa biếtđó, ta cần những phát hiện mới của vật lý
hạt. Các quan sát thiên văn giúp ta khảo sát các tham sốcủa vũtrụ, các máy gia tốc
giúp ta xây dựng một lời giải lượng tửcho các tham số đó. Năng lựợng đạtđượcở
các máy gia tốc ngày nay đã đến gần các điều kiệnởnhững giây phút đầu tiên sau
VụNổLớn, là công cụsẽgiúp ta phát hiện ra vật chất tối, năng lựợng tối là gì, thực
hiện cuộc cách mạng vềnhận thức vật lý hạt cơbản và vũtrụ.
Chưa lúc nào nhưlúc này, hai cách tiếp cận từquan sát vũtrụvà từthí nghiệm với
máy gia tốc lại song hành hỗtrợnhau mật thiếtđến nhưvậy.
II.- BẢN CHẤT CƠBẢN CỦA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LỰỢNG, KHÔNG GIAN VÀ
THỜI GIAN.
Các thí nghiệmđang tiến hành cũng nhưdựkiến tiến hành của vật lý hạt cơbảnở
các phòng thí nghiệm khắp nơi trên thếgiới sẽcho ta khảnăng nêu lên chín câu
hỏi vềcác định luật vật lý cơsở đang chi phối vũtrụ. Các câu hỏi này vừa rất quen
thuộc nhưng đồng thời có tính cách mạng sâu sắc, xác định hướng đi của vật lý hạt
cơbản trong thếkỷXXI.
Chín câu hỏi này ta có thểgọn lại theo 3 nội dung lớn nhưsau :
GIẤC MƠCỦA EINSTEIN VỀCÁC
LỰC HỢP NHẤT
Giấc mơnày có thểnói đã được thực hiện khá tốt trong phạm vi vi mô, lượng tử
(Mô hình tiêu chuẩn – Standard Model SM). Tuy nhiên các ý tưởng lượng tử đó lại
không áp dụng được cho phạm vi vũtrụ. Có thểcòn thiếu một vài thành tốnào đó;
trường hấp dẫn, vật chất tối, năng lựợng tối phải có một cách diễn giải lượng tử.
Phải có một lý thuyết gì đó bao quát được cảSM và thuyết tương đối tổng quát,
đồng thời giải quyếtđược bí ẩn của năng lựợng tối.
Câu hỏi 1.- Có hay không những nguyên lý của tựnhiên mà ta chưa phát hiện
ra: những đối xứng mới, những định luật vật lý mới ?
Công cuộc nghiên cứu của chúng ta từtrước tới nay vềcác định luật cơbản của tự
nhiên đã giúp ta nhận thứcđược là các định luật vật lý, và các hạt vật chất bịchi
phối, tồn tại là do các đối xứng của tựnhiên làm nền tảng, một sốtrong các đối
xứng này đã mấtđi ngay từVụNổLớn. Một trong những đối xứng bịmấtđó có thể
là siêu đối xứng. Siêu đối xứng dựkiến là đi cặp với mỗi hạt thông thường luôn
luôn có một hạtđồng hành siêu đối xứng. Lý thuyết siêu đối xứng – phần cốt lõi
của lý thuyết dây, hé mởkhảnăng một trong những hạtđồng hành này, hạt
neutralino, là ứng viên cho vật chất tối, cũng nhưmối liên quan có thểgiữa siêu đối
xứng và năng lựợng tối.
Việc phát hiện ra siêu đối xứng rõ ràng là một thách thức thực nghiệmđối với vật
lý hạt cơbản, chưa nói đến việc khảo sát chi tiết cấu trúc và tính chất các hạtđồng
hành siêu đối xứng.
Câu hỏi 2.- Ta giải quyết bí ẩn của năng lượng tối nhưthếnào ?
Các đođạc gầnđây bằng kính thiên văn cũng nhưcác trạm không gian cho thấy là
có một lực bí ẩn - năng lựợng tối – lấpđầy vacuum của không gian trống rỗng, thúc
đẩy tăng tốc sựdãn nởcủa vũtrụ. Ta không biết năng lựợng tối là gì, và tồn tạiđể
làm gì. Mặt khác lý thuyết hạt cơbản cho ta biết là ởmứcđộ vi mô, ngay cảmột
vacuum hoàn hảo cũng chứađầy các cặp hạt lượng tử, có thểlà nguồn gốc tựnhiên
của năng lựợng tối. Tuy nhiên, tính toán sơbộnăng lựợng tối sinh bởi vacuum đó
lại cho một giá trị10120 lần lớn hơn giá trịquan sát. Nhưvậy phải có một quá
trình vật lý gì đó, chưa biết, để khửhầu hết năng lượng vacuum đó, chỉchừa lạiđủ
để gia tốc sựdãn nởvũtrụnhư đã thấy. Cần thiết một lý thuyết mới của vật lý hạt
cơbảnđể giải thích quá trình này.
Các sốliệu thực nghiệm lại dẫnđến một thành phần bí ẩn khác của không gian
trống rỗng, đó là trường Higgs, trường này “cung cấp” khối lượng cho các hạt. Nếu
không có trường Higgs thì các electron sẽchuyểnđộng với vận tốc ánh sáng, và các
nguyên tửsẽphân rã tức thời. Năng lựợng tối và trường Higgs có liên quan gì với
nhau không? Việc phát hiện ra siêu đối xứng có thểsẽcho thấy mối liên quan đó,
có thểsẽgiải thích được giá trịnhỏ, nhưng hữu hạn của năng lượng tối.
Câu hỏi 3.- Có hay không những chiều dư(extra) của không gian ?
Ý tưởng có tính cách mạng của lý thuyết dây là việc thực hiện rõ ràng giấc mơcủa
Einstein vềmột phương cách giải thích cốt lõi nhất của tất cảmọi vật, từlượng tử
nhỏnhất của vật lý hạtđến tòan bộvũtrụ. Lý thuyết dây hợp nhất toàn bộvật lý
với việc diễn tảmọi lực và mọi hạt nhưlà các dao động khác nhau của chỉmộtđối
tượng duy nhất gọi là siêu dây (dây siêu đối xứng).
Các siêu dây có tồn tại không? Bản thân dây có thểlà quá nhỏ để ta quan sát trực
tiếpđược, nhưng lý thuyết dây lại có một sốtiên đoán có thểkiểm nghiệmđược.
Lý thuyết này đòi hỏi siêu đối xứng và tiên đoán sựtồn tại của bảy (7) chiều không
gian cho đến nay chưa phát hiện ra, những chiều dưnày là nguyên nhân cho phần
lớnđộ phức tạp của bức tranh vật lý hạt. Kiểm nghiệm tính đúng đắn của lý thuyết
dây chính là phải tìm cho ra các chiều dư đó của không gian. Có bao nhiêu chiều dư
tất cả? Dáng vẻvà kích thước chúng ra sao? Tại sao chúng lạiẩn? Có hạt mới nào
gắn liền với các chiều dư đó không?
Câu hỏi 4.- Tất cảcác lực rồi có trởthành một không ?
Ởmức cơbản nhất các hạt và lực có thểhội tụlại nhau, hoặc thông qua các nguyên
tắcẩn nhưthống nhất lớn, hoặc thông qua vật lý mới nhưsiêu dây.
THẾGIỚI HẠT
Các nhà vật lý đã tìm được nhiều lọai hạt cơbản, và xác định được khá chi tiết các
tính chất của từng hạt. Vai trò của chúng là gì? Làm sao biếtđược khi nào ta tìm
được hết tất cảcác lọai hạt?
Câu hỏi 5.- Vì sao có nhiều loại hạt nhưvậy?
Chúng ta đã phát hiệnđược 3 họquark và lepton - các phần tửcơbản nhất, ba họ
này chỉkhác nhau vềkhối lượng, từdưới một phần triệu khối lượng electron cho
đến khối lượng của một nguyên tửvàng. Tương tựnhưcơlượng tửgiúp ta giải
thích cách sắp xếp bảng tuần hoàn các nguyên tốhóa học, ngày nay chúng ta đang
tìm kiếm các lý thuyết mới giải thích tính chất các hạt cơbản. Tại sao tồn tại ba họ
hạt, và tại sao khối lượng chúng lại khác nhau đến nhưvậy? Tại sao tính chất các
quark và lepton lại hoàn toàn khác nhau?
Câu hỏi 6.- Vật chất tối là gì ? Làm thếnào có chúng trong phòng thí nghiệm?
Phần lớn vật chất trong vũtrụlà tối. Nếu không có vật chất tối thì các ngôi sao, các
thiên hà đã không hình thành được, và đã không có sựsống ngày nay. Vật chất tối
gắn kết vũtrụlại với nhau. Nó là gì?
Tuy rằng sựtồn tại của vật chất tốiđã đượcđề xuất từnhững năm 1930, nhưng chỉ