Luận án tiến sĩ Vật lý: Khám phá hiệu ứng vật lý mới trong mô hình 3-2-3-1 & 3-3-3-1 - Trường Học viện Khoa học và Công nghệ

MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Kể từ khi có nền văn minh của nhân loại, con người luôn có xu hướng tìm hiểu về thế giới tự nhiên. Họ luôn ý thức để tìm hiểu về nguyên nhân chi phối sự vận động của vật chất xung quanh hệ Mặt Trời. Họ đã từng bước tìm ra các quy luật vận động của tự nhiên xung quanh mình như quy luật hoạt động của ngày-đêm, năm-tháng. Không chỉ dừng lại ở đó, con người còn có ý thức tìm hiểu quy luật vận động của cả Vũ trụ bao la.

Các câu hỏi về nguồn gốc, bản chất của Vũ trụ? Quy luật chi phối sự vận động của Vũ trụ? Số phận của vũ trụ sẽ ra sao? Tất cả các câu hỏi đó luôn thúc đẩy sự tò mò của con người từ hàng nghìn năm về trước. Các câu trả lời lúc đầu có nguồn gốc từ tôn giáo và triết học. Tuy nhiên, sau này sự phát triển của khoa học đã và đang dần đưa ra những câu trả lời chính xác hơn. Gần đây nhất là sự ra đời và phát triển của lý thuyết tương đối tổng quát (GRT) của Einstein và cơ học lượng tử.

Dựa trên cơ sở của các lý thuyết đó, các nhà khoa học đã xây dựng thành công các mô hình mô tả các tương tác trong Vũ trụ. Hai lý thuyết lớn là mô hình chuẩn của vật lý hạt cơ bản (SM) và mô hình chuẩn của Vũ trụ (SMC). SM mô tả vật lý vô cùng nhỏ trong số hạng của cơ học lượng tử và dựa trên lý thuyết tương đối tổng quát. SMC mô tả vật lý ở kích thước lớn với hiệu ứng của cơ học cổ điển.

SMC dựa trên giả thiết: Vũ trụ được sinh ra từ năng lượng do vụ nổ lớn (gọi là vụ nổ Big-Bang). Ngoài ra SMC còn dựa vào giả thiết khác như Vũ trụ là đồng nhất và đẳng hướng. GRT mô tả trường hấp dẫn thông qua metric được xác định bởi khoảng không thời gian giữa 1 hai sự kiện. Dựa trên giả thiết: Vũ trụ là đồng nhất, đẳng hướng và có tính chất đối xứng cầu, các nhà khoa học Friedmann-Lemaı̂tre-Robertson-Walker đã đưa ra metric mô tả Vũ trụ.

Dựa trên metric tìm được và GRT, các nhà khoa học đã tiên đoán các quy luật phát triển và tuổi của Vũ trụ. Dựa trên các quan sát thực nghiệm về sự dịch chuyển đỏ của ánh sáng phát ra từ sự giãn nở và tăng tốc của Vũ trụ, các nhà khoa học đã ước tính tuổi vũ trụ là khoảng 13,8 tỉ năm. Vụ nổ này là nguyên nhân sinh ra không gian, thời gian, toàn bộ vật chất, năng lượng trong vũ trụ ngày nay. Các hạt vật chất được sinh ra trong bể nhiệt.

Khoảng 10−12 giây sau vụ nổ lớn, tất cả các loại hạt cơ bản như quark, các lepton và các hạt truyền tương tác như photon, gauge boson điện yếu, các gluon được sinh ra. Chúng luôn tán xạ hoặc sinh huỷ ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Theo thời gian, Vũ trụ giãn nở và nhiệt độ giảm dần, các hạt nặng sẽ phân huỷ thành các hạt nhẹ (10−5 giây sau vụ nổ lớn). Trạng thái cân bằng nhiệt động kết thúc khi tốc độ giãn nở của Vũ trụ bằng tốc độ huỷ hạt.

Các hạt nhẹ và rã chậm tồn tại tới thời điểm hiện tại. Khi nhiệt độ hạ xuống đến một mức độ nào đó, các quark và gluon kết hợp với nhau để tạo thành các proton, neutron, các pion và phản hạt của chúng. Sau đó, các proton và các neutron kết hợp để tạo thành hạt nhân nguyên tử của các hạt và chủ yếu là các hạt nhẹ (khoảng75 % là Hydro và 25 % là Heli và các hạt nhẹ khác). Vũ trụ tiếp tục hạ nhiệt trong quá trình giãn nở, hạt nhân nguyên tử của Hydro, Heli, v.

đã bắt các electron, do đó, tạo ra các nguyên tử trung tính. Điều này được ước tính đã xảy ra khoảng 400.000 năm sau Vụ nổ lớn, khi các photon ngừng tương tác đáng kể với vật chất, dẫn đến sự xuất hiện của bức xạ nền Vũ trụ (CMB). Và phải mất khoảng một tỉ năm, những đám mây khổng lồ gồm các nguyên tố nguyên thủy gom lại do lực hấp dẫn tạo thành các thiên hà. Thiên hà mà chúng ta quan sát được ngày nay gồm các nguyên tử, phân tử, neutrino, bức xạ điện từ, sóng hấp dẫn và dạng vật chất chúng ta chưa biết.

Có thể nói, SMC mô tả thành công tương tác hấp dẫn giữa vật chất và năng lượng trong Vũ trụ thông qua GRT. Chúng tôi muốn nhấn mạnh, Vũ trụ giãn nở dẫn đến mật độ hạt giảm dần, nhiệt độ Vũ trụ giảm nên năng lượng của các hạt cũng giảm và khả năng 2 tán xạ giữa các hạt giảm. Tuy nhiên, các hạt vẫn tương tác với nhau do hạt truyền tương tác trung gian bởi các lực cơ bản trong tự nhiên là lực tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu. Mỗi loại hạt cơ bản có thể cảm nhận được một hoặc nhiều loại lực này.

Ví dụ như neutrino chỉ cảm nhận được lực tương tác yếu nhưng các quark có thể cảm nhận được cả ba loại lực tương tác. Tương tác yếu là tương tác tầm gần nhất và tương tác điện từ là tương tác tầm xa nhất. Các nhà khoa học đã cố gắng xây dựng lý thuyết để mô tả bản chất của các loại tương tác này trong tự nhiên. Cũng giống như tương tác hấp dẫn, trước khi tìm kiếm được một lý thuyết hoàn hảo mô tả tương tác mạnh, tương tác yếu và tương tác điện từ đã tồn tại một số lý thuyết mô tả chúng.

Ví dụ như lý thuyết mô tả tương tác yếu liên quan đến quá trình rã beta. Lý thuyết đầu tiên mô tả quá trình này là lý thuyết Fermi mô tả tương tác của bốn fermion. Tương tác này không đảm bảo điều kiện tái chuẩn hoá của lý thuyết khi khai triển đóng góp bậc cao. Lý thuyết thứ hai, đó là tương tác mạnh liên quan đến thứ gắn kết các proton và neutron với nhau cấu thành hạt nhân (lực hạt nhân mạnh), ví dụ như lý thuyết Yukawa.

Tuy nhiên, tất cả các lý thuyết đều chứa hằng số tương tác (α > 1), do đó càng khai triển nhiễu loạn càng sai. Những lý thuyết này không cho tính chính xác. Đây là những vấn đề trước mô hình chuẩn còn tồn tại. Trong quá trình khắc phục hai khó khăn trên xuất hiện ba nguyên lý làm cơ sở cho mô hình chuẩn và các lý thuyết sau này là mẫu quark, đối xứng chuẩn và phá vỡ đối xứng tự phát.

Điện động lực học đã được mô tả thành công dựa trên nhóm đối xứng chuẩn giao hoán U (1). Dựa trên sự thành công của lý thuyết điện động lực học, năm 1954 Yang và Mills đã xây dựng thành công lý thuyết chuẩn dựa trên nhóm không Abelian. Nhóm đối xứng không giao hoán là cơ sở để xây dựng lý thuyết mô tả tương tác mạnh, tương tác điện từ và tương tác yếu dựa trên nhóm chuẩn SU (3) ⊗ SU (2) ⊗ U (1). Tuy nhiên, khác với tương tác điện từ, tương tác yếu là tương tác tầm gần nên đòi hỏi các hạt truyền tương tác yếu phải có khối lượng.

Vậy làm sao sinh khối lượng cho các hạt truyền tương tác yếu mà vẫn đảm bảo sự bảo toàn đối xứng chuẩn? Để khắc phục khó khăn đó, các nhà khoa học đã đề xuất hiện tượng phá vỡ đối xứng tự 3 phát cho lý thuyết chuẩn, thông qua cơ chế Higgs. Đối xứng chuẩn là đối xứng của Lagrangian nhưng không phải đối xứng của chân không. Trường vô hướng thực hiện phá vỡ đối xứng có trung bình chân không khác không và sinh khối lượng cho các hạt khác kể cả boson chuẩn khi chúng tương tác với Higgs. Tương tác mạnh phát triển mạnh vào những năm 1961-1964 khi mà Gell-Mann, Ne’eman, Nishijima và Zweig khám phá ra các hardron và meson được cấu thành và phân loại bởi các hạt cơ sở hơn gọi là quark.

Năm 1965, người ta cho rằng, các quark phải có thêm số lượng tử màu và chúng biến đổi như một biểu diễn cơ bản của nhóm đối xứng chuẩn mới SU (3)C. Lý thuyết sắc động học lượng tử (QCD) mô tả tương tác mạnh giữa các quark thông qua hạt truyền tương tác gluon. Các hạt vật chất cấu tạo từ các quark luôn tồn tại ở trạng thái không màu, các baryon xây dựng từ 3 quark và các meson được xây dựng từ hai quark sao cho chúng bất biến dưới nhóm màu. Đặc tính khác của tương tác mạnh là ở năng lượng cao thì các quark ở t thái tự do, nhưng khi ở năng lượng thấp thì chúng tương tác mạnh và ở trạng thái cầm tù.

Có thể nói QCD là một lý thuyết tốt khi mô tả tương tác mạnh. Mô hình chuẩn của vật lý hạt cơ bản dựa trên hai lý thuyết chính là lý thuyết thống nhất điện yếu dựa trên nhóm SU (2)L × U (1)Y và lý thuyết QCD dựa trên nhóm SU (3)c. Mô hình chuẩn mô tả các hạt cơ bản cấu tạo nên vật chất và tương tác của chúng tạo ra toàn bộ vũ trụ. Mô hình chuẩn mô tả thành công ba tương tác: tương tác mạnh, tương tác điện từ và tương tác yếu.

Tất cả các tiên đoán của mô hình chuẩn: sự tồn tại của các hạt boson W ± , Z, quark c, t, dòng trung hoà. đều được thực nghiệm kiểm chứng với độ chính xác cao. Hạt W, Z được thực nghiệm kiểm chứng vào năm 1981 và khối lượng của chúng như mô hình đã đề xuất [1]. Đặc biệt, vào ngày 4 tháng 7 năm 2012 hạt Higgs đã được tìm thấy tại máy gia tốc năng lượng cao (LHC) tại Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu bằng hai thiết bị đo độc lập là A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) và Compact Muon Solenoid (CMS) với khối lượng đo được khoảng 125 − 126 GeV có những đặc tính trùng với Boson Higgs của mô hình chuẩn đã tiên đoán mà trước đó thực nghiệm chưa tìm thấy [2].

Đó là mảnh ghép cuối cùng để bức tranh mang tên "Mô hình chuẩn" 4 được hoàn thiện. Có thể nói, cả hai mô hình SMC và SM của vật lý hạt cơ bản đều thành công lớn khi mô tả các tương tác trong Vũ trụ. Tuy nhiên, cả hai mô hình còn nhiều hạn chế khi giải thích các số liệu quan sát của Vũ trụ và các kết quả thực nghiệm gần đây.