Lời giới thiệu

Vào ngày 4 tháng 7 năm 2012, Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Âu châu (CERN) đã công bố rộng rãi trên các phương tiện thông tin đại chúng khám phá về một loại hạt cơ bản mới. CERN là trung tâm nghiên cứu sở hữu hệ thống máy gia tốc hạt có năng lượng và kích thước lớn nhất thế giới. Tầm quan trọng của khám phá này được thể hiện ở hai điểm: thứ nhất, hạt cơ bản mới này chính là liên kết chủ yếu còn thiếu trong bức tranh thế giới hạ nguyên tử (gọi là Mô hình Chuẩn) được vẽ từ 35 năm trước, vào những năm 1970; thứ hai, việc khám phá ra loại hạt này là phần thưởng xứng đáng cho ba mươi năm lao động vất vả và tận tụy của hàng ngàn nhà khoa học, nhà vật lí, kĩ sư và kĩ thuật viên.

Tìm kiếm boson Higgs - loại hạt đã được tìm kiếm từ lâu - là một cuộc phiêu lưu kì thú của khoa học đương đại. Vẻ đẹp và sự tao nhã của Mô hình Chuẩn, sự tinh vi và phức tạp đáng kinh ngạc của những công cụ làm nên khám phá khiến người ta phải ngưỡng mộ. Câu chuyện này là một ví dụ tuyệt vời cho thế hệ trẻ Việt Nam về sự quyết tâm, tinh thần sáng tạo, tinh thần hợp tác mà cộng đồng các nhà khoa học quốc tế đã cống hiến cho khoa học và tri thức. Đó cũng là một ví dụ về sự nghiêm túc tri thức và đạo đức, tất cả các phẩm chất cần thiết cho sự phát triển của khoa học.

Vật lí hạt là một trong những ngành tiên phong nhất của khoa học. Có thể kể ra một vài ngành tương tự như vật lí thiên văn, di truyền học và thần kinh học. Phương pháp nghiên cứu của chúng có thể khác nhau, ví dụ phương pháp của vật lí hạt và vật lí thiên văn đòi hỏi việc sử dụng các thiết bị rất lớn và tốn kém - gọi là “khoa học lớn”- nhưng chúng đều đòi hỏi ở các nhà khoa học những phẩm chất mà chúng ta vừa nêu ở trên. Thành công của họ chỉ ra con đường cho khoa học Việt Nam, nền khoa học đang phục hồi sau nhiều năm chiến tranh và khó khăn. Sự hồi sinh và tương lai của nó nằm trong tay thế hệ trẻ. Chúng tôi hi vọng những bài học rút ra từ câu chuyện về boson Higgs sẽ thúc đẩy tham vọng và nhiệt tình của các bạn trẻ với khoa học và tri thức.

Để kể lại câu chuyện, chúng tôi nghĩ rằng cách tốt nhất là chọn một số bài báo được viết bởi chính những nhân vật trực tiếp tham gia vào cuộc phiêu lưu kì thú này, và kết nối chúng với nhau bằng vài lời giới thiệu ngắn gọn.

Chương đầu tiên trình bày về Mô hình Chuẩn được xây dựng trên những bất biến cơ bản - đối xứng nhóm và bất biến gauge - và đòi hỏi sự xuất hiện của một loại hạt mới để giải thích cho thực tế rằng nhiều hạt cơ bản có khối lượng. Tên của hạt mới này được đặt theo tên của nhà vật lí Peter Higgs, người đã có công đưa hạt này vào lí thuyết. Tuy nhiên, không phải chỉ có mình Peter Higgs khám phá. Lịch sử hình thành Mô hình Chuẩn, đặc biệt là cơ chế phát sinh khối lượng dựa trên cơ chế phá vỡ đối xứng tự phát, là một chương hấp dẫn của lịch sử khoa học hiện đại. Việc phát hiện ra hạt Higgs mặc dù đã gần như chắc chắn nhưng vẫn cần được chứng minh thêm, sẽ khép lại chương này của vật lí hạt. Tuy nhiên, trong vật lí vẫn còn nhiều câu hỏi mở, đặc biệt ở ranh giới giữa vật lí hạt và hấp dẫn, nên các nhà vật lí phải bận rộn trong một thời gian dài.

Chương thứ hai trình bày về CERN, nơi khám phá này được thực hiện. CERN, biểu tượng của thành công trong hợp tác quốc tế, thường được cho là nơi duy nhất có thể thực hiện được một khám phá như vậy. Điều này có thể hơi phóng đại một chút nhưng cũng cho thấy sự tôn trọng và ngưỡng mộ của cộng đồng các nhà vật lí hạt đối với CERN. Qua hồi ức của một vài người trong số họ, chúng ta sẽ thấy rõ điều đó.

Chương thứ ba tổng hợp lại các câu chuyện về Higgs, được viết bởi các phát ngôn viên đầu tiên của các thí nghiệm đã phát hiện ra nó, ATLAS và CMS. Đây là một tài liệu tổng hợp đáng chú ý, được dịch nguyên vẹn với sự cho phép của các tác giả.

(Nhóm chủ biên)

 Lời nhà xuất bản

 Lịch sử Vật lí các hạt cơ bản thế kỉ 20 là cuộc phiêu lưu kì thú và độc đáo của trí tuệ loài người. Nó bắt đầu từ những năm cuối thế kỉ 19, trải dài cho đến những thập kỉ cuối thế kỉ 20, với sự tham gia của rất nhiều bộ óc vĩ đại trong ngành vật lí từ lí thuyết đến thực nghiệm, nhằm trả lời câu hỏi từ hai ngàn năm trăm năm nay: Vật chất của thế giới là gì và chúng ta từ đâu đến?

Vào những thập kỉ cuối thế kỉ 20, sau bao nhiêu biến động, đột phá, bế tắc, hi vọng rồi tuyệt vọng, v.v., cuối cùng lí thuyết vật lí các hạt cơ bản đã kết tinh thành cái mà giờ đây được gọi phổ biến là Mô hình Chuẩn mà hạt boson Higgs được tiên đoán bằng lí thuyết như viên ngọc vương miện của nó, được hi vọng như là cơ sở đáng tin cậy cho lời giải cuối cùng về bản chất của vật chất, để trả lời câu hỏi muôn đời về Vũ trụ và kiếp nhân sinh.

Nhân dịp Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN) công bố bằng chứng thực nghiệm về sự tồn tại của hạt boson Higgs vào ngày 4 tháng 7 năm 2012, Nhóm Chủ biên (Phạm Xuân Yêm, Nguyễn Xuân Xanh, Pierre Dariulat, Cao Chi và Chu Hảo) đã hợp tác với NXB Tri thức xuất bản cuốn Hạt Higgs và Mô hình Chuẩn vào tháng 3 năm 2014. Theo yêu cầu của đông đảo bạn đọc sau khi cuốn sách được phát hành, chúng tôi đã thỏa thuận với Nhóm Chủ biên lược bớt những phần quá chuyên sâu và không trực tiếp liên quan đến sự kiện tìm thấy hạt boson Higgs để phục vụ bạn đọc, đặc biệt là các bạn trẻ không chuyên ngành vật lí (hay vật lí các hạt cơ bản), nhưng không làm mất đi những thông tin cơ bản về cuộc phiêu lưu kì thú của khoa học trong quá trình săn tìm bằng chứng thực nghiệm sự tồn tại của một hạt không thể không tồn tại đã được tiên đoán bằng lí thuyết từ gần 50 năm trước. Và giờ đây, trên tay các bạn là dạng thu gọn của cuốn sách nói trên.

Trên các phương tiện truyền thông đại chúng, hạt boson Higgs thường được gọi là Hạt của Chúa, bắt đầu từ một việc tình cờ, nhưng sau đấy lại trở thành ngầm định của cộng đồng khoa học (chủ yếu là ngoài giới vật lí các hạt cơ bản) về vai trò đặc biệt quan trọng của hạt này trong việc hình thành và vận động của toàn bộ vật chất trong Vũ trụ.

Số là vào năm 1993, Leon Lederman (giải Nobel Vật lí năm 1988) viết một cuốn sách nói về những gian truân của các nhà khoa học khi đi tìm hạt boson Higgs đã được tiên đoán trong Mô hình Chuẩn như là hạt “gia trì” khối lượng cho các hạt cơ bản khác mà Peter Higgs và hai đồng nghiệp tiên đoán từ năm 1964. Để thể hiện sự “bất mãn” của các nhà khoa học đối với một đối tượng hết sức khó chịu, cố tình lẩn tránh mọi cố gắng của các nhà thực nghiệm, không chịu “xuất đầu lộ diện”, Leon Lederman đặt cho nó cái tên “Hạt mắc dịch” (Goddamn particle). Nhà xuất bản chấp nhận cuốn sách này với một yêu cầu thay đổi nhỏ: thay vì Goddamn particle hãy viết đơn giản là God particle cho thích hợp và thanh nhã hơn. Từ đấy hạt này mang tên lóng là Hạt của Chúa. Dường như bản thân tác giả chính của hạt này, ngài Peter Higgs, và các nhà vật lí hạt không mấy mặn mà với tên gọi đó, vì nó chẳng liên quan gì đến các vị Chúa mang hình hài con người của các tôn giáo; ngược lại là khác: nó góp phần vào việc thu hẹp “sân chơi” của Chúa. Thế nhưng nếu hiểu Chúa như một biểu hiện phiếm thần của các định luật tinh tế đến mức thần bí của Tự nhiên thì hạt Higgs quả xứng đáng được tôn vinh như thế, như các bạn sẽ được chứng nghiệm khi đọc hết cuốn sách nhỏ này.

Chúc các bạn có đủ hứng khởi để kiên nhẫn đọc cho đến trang cuối cùng!