Tất cả chúng ta đều biết và yêu thích boson Higgs - thứ mà sự thất vọng của các nhà vật lý đã bị gắn nhầm trên phương tiện truyền thông là "hạt thần" - một hạt hạ nguyên tử được phát hiện lần đầu tiên trong Máy va chạm Hadron lớn (LHC) vào năm 2012. Hạt đó là một mảnh của một lĩnh vực thấm vào tất cả không-thời gian; nó tương tác với nhiều hạt, như electron và quark, cung cấp cho các hạt đó khối lượng, khá tuyệt.
Nhưng hạt Higgs mà chúng tôi phát hiện ra có trọng lượng nhẹ đáng kinh ngạc. Theo ước tính tốt nhất của chúng tôi, nó sẽ nặng hơn rất nhiều. Điều này mở ra một câu hỏi thú vị: Chắc chắn, chúng tôi đã phát hiện ra một boson Higgs, nhưng đó có phải là boson Higgs duy nhất không? Có nhiều nổi xung quanh ngoài kia làm những việc riêng của họ?
Mặc dù chúng ta chưa có bằng chứng nào về một Higgs nặng hơn, một nhóm các nhà nghiên cứu có trụ sở tại LHC, nhà máy nghiền nguyên tử lớn nhất thế giới, đang đào sâu vào câu hỏi đó khi chúng ta nói. Và có người nói rằng khi các proton bị đập vỡ cùng nhau trong máy va chạm hình chiếc nhẫn, các hạt Higgs và thậm chí cả hạt Higgs được tạo thành từ nhiều loại hạt Higgs khác nhau có thể thoát ra.
Nếu hạt Higgs nặng thực sự tồn tại, thì chúng ta cần phải cấu hình lại sự hiểu biết của chúng ta về Mô hình chuẩn của vật lý hạt với nhận thức mới phát hiện ra rằng có nhiều hạt Higgs hơn mắt. Và trong những tương tác phức tạp đó, có thể có manh mối về mọi thứ, từ khối lượng hạt neutrino ma quái đến số phận cuối cùng của vũ trụ.
Tất cả về boson
Không có boson Higgs, gần như toàn bộ Mô hình Chuẩn bị sụp đổ. Nhưng để nói về boson Higgs, trước tiên chúng ta cần hiểu cách Mô hình Chuẩn nhìn vũ trụ.
Theo quan niệm tốt nhất của chúng ta về thế giới hạ nguyên tử bằng Mô hình Chuẩn, những gì chúng ta nghĩ về các hạt không thực sự rất quan trọng. Thay vào đó, có các lĩnh vực. Những lĩnh vực này thấm và thấm tất cả không gian và thời gian. Có một lĩnh vực cho mỗi loại hạt. Vì vậy, có một trường cho các điện tử, một trường cho các photon, v.v. Những gì bạn nghĩ về các hạt là những rung động nhỏ cục bộ trong các lĩnh vực cụ thể của chúng. Và khi các hạt tương tác (bằng cách nói, bật ra khỏi nhau), đó thực sự là những rung động trong các lĩnh vực đang thực hiện một điệu nhảy rất phức tạp.
Các boson Higgs có một loại lĩnh vực đặc biệt. Giống như các lĩnh vực khác, nó thấm vào tất cả không gian và thời gian, và nó cũng được nói chuyện và chơi với các lĩnh vực của mọi người khác.
Nhưng lĩnh vực của Higgs có hai công việc rất quan trọng phải làm mà không thể đạt được bởi bất kỳ lĩnh vực nào khác.
Công việc đầu tiên của nó là nói chuyện với các boson W và Z (thông qua các lĩnh vực tương ứng của họ), những người mang lực lượng hạt nhân yếu. Bằng cách nói chuyện với các boson khác này, hạt Higgs có thể cho chúng khối lượng lớn và đảm bảo rằng chúng tách biệt khỏi các photon, chất mang lực điện từ. Nếu không có sự can thiệp của boson Higgs, tất cả các tàu sân bay này sẽ được hợp nhất với nhau và hai lực lượng đó sẽ hợp nhất với nhau.
Công việc khác của boson Higgs là nói chuyện với các hạt khác, như electron; thông qua những cuộc trò chuyện này, nó cũng mang lại cho họ hàng loạt. Tất cả điều này diễn ra tốt đẹp, bởi vì chúng ta không có cách nào khác để giải thích khối lượng của các hạt này.
Nhẹ và nặng
Tất cả điều này đã được thực hiện vào những năm 1960 thông qua một loạt toán học phức tạp nhưng chắc chắn thanh lịch, nhưng chỉ có một trở ngại nhỏ đối với lý thuyết: Không có cách nào thực sự để dự đoán khối lượng chính xác của boson Higgs. Nói cách khác, khi bạn đi tìm hạt (đó là rung động cục bộ nhỏ của trường lớn hơn nhiều) trong máy va chạm hạt, bạn không biết chính xác những gì và nơi bạn sẽ tìm thấy nó.
Vào năm 2012, các nhà khoa học tại LHC tuyên bố phát hiện ra hạt Higgs sau khi tìm thấy một số hạt đại diện cho trường của hạt Higgs đã được tạo ra khi các proton bị đập vào nhau với tốc độ gần bằng ánh sáng. Những hạt này có khối lượng 125 gigaelectronvolts (GeV), hoặc tương đương với 125 proton - vì vậy nó nặng nhưng không lớn đến mức khó tin.
Thoạt nhìn, tất cả điều đó nghe có vẻ tốt. Các nhà vật lý đã không thực sự có một dự đoán chắc chắn về khối lượng của hạt Higgs, vì vậy nó có thể là bất cứ thứ gì nó muốn trở thành; chúng tôi tình cờ tìm thấy khối lượng trong phạm vi năng lượng của LHC. Thoát ra khỏi bong bóng, và hãy bắt đầu ăn mừng.
Ngoại trừ việc có một số dự đoán nửa do dự, nửa vời về khối lượng của hạt Higgs dựa trên cách nó tương tác với một hạt khác, hạt quark hàng đầu. Những tính toán này dự đoán một con số cao hơn 125 GeV. Chỉ có thể là những dự đoán đó là sai, nhưng sau đó chúng ta phải quay lại toán học và tìm ra nơi mọi thứ đang diễn ra. Hoặc sự không phù hợp giữa các dự đoán rộng và thực tế về những gì được tìm thấy bên trong LHC có thể có nghĩa là có nhiều hơn về câu chuyện boson Higgs.
Higgs lớn
Rất có thể có rất nhiều boson Higgs ngoài kia quá nặng để chúng ta có thể nhìn thấy với thế hệ máy nghiền hạt hiện tại của chúng ta. (Vật năng lượng lớn quay trở lại phương trình E = mc ^ 2 nổi tiếng của Einstein, cho thấy năng lượng là khối lượng và khối lượng là năng lượng. Khối lượng của hạt càng cao, càng có nhiều năng lượng và càng tốn nhiều năng lượng để tạo ra sự nặng nề đó Điều.)
Trên thực tế, một số lý thuyết đầu cơ đẩy kiến thức vật lý của chúng ta vượt ra khỏi Mô hình Chuẩn thực sự dự đoán sự tồn tại của các boson Higgs nặng này. Tất nhiên, bản chất chính xác của các ký tự Higgs bổ sung này phụ thuộc vào lý thuyết, từ bất kỳ nơi nào chỉ từ một hoặc hai trường Higgs siêu nặng đến các cấu trúc hỗn hợp được tạo thành từ nhiều loại boson Higgs khác nhau được gắn với nhau.
Các nhà lý thuyết đang nỗ lực cố gắng tìm mọi cách có thể để kiểm tra các lý thuyết này, vì hầu hết chúng chỉ đơn giản là không thể tiếp cận được với các thí nghiệm hiện tại. Trong một bài báo gần đây nộp cho Tạp chí Vật lý năng lượng cao và được công bố trực tuyến trên tạp chí in sẵn arXiv, một nhóm các nhà vật lý đã đưa ra một đề xuất để tìm kiếm sự tồn tại của nhiều boson Higgs, dựa trên cách thức đặc biệt của các hạt. các hạt nhẹ hơn, dễ nhận biết hơn, như electron, neutrino và photon. Tuy nhiên, những phân rã này là cực kỳ hiếm, do đó về mặt nguyên tắc chúng ta có thể tìm thấy chúng với LHC, sẽ phải mất nhiều năm tìm kiếm để thu thập đủ dữ liệu.
Khi nói đến những hạt Higgs nặng, chúng ta sẽ phải kiên nhẫn.
