1
Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm
Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN
SỞ GIÁO DỤC TÂY NINH
TRƢỜNG CAO ĐẲNG SƢ PHẠM
VẤN ĐỀ HẠT HIGGS – TÌM HIỂU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM Thực hiện: Ths. Trần Văn Thảo
Đơn vị: Phòng KH & CN Tây Ninh, ngày 22 tháng 4 năm 2014
2
Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm
Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN

Giải Nobel vật lý 2013 được công bố trao cho hai nhà vật lý Peter Higgs người Anh
và Francois Englert người Bỉ với công trình nghiên cứu lý thuyết Higgs boson vào đầu
tháng 10/2013 vừa qua, giúp giải thích vì sao các vật chất có khối lượng.
Vì thế việc hiểu biết về boson Higgs là một việc hết sức thú vị cho những người yêu
môn vật lý nói chung và những sinh viên chuyên ngành vật lý nói riêng. Vì thế tôi viết vấn
đề này xem như một đề tài nghiên cứu cấp trường CĐSP Tây Ninh.
II. Mục tiêu
Có thể nói vấn đề hạt Higgs là vấn đề rất thú vị và rất phức tạp của vật lý hiện đại.
Tôi dùng ngôn ngữ thông thường để viết về vấn đề này, nhằm cho những người không
chuyên về vật lý cũng có thể thấy được vẻ đẹp của vật lý hiện đại.
Đề tài nhằm mục đích phổ biến kiến thức mang tính thời sự và góp phần làm tăng
mức độ yêu thích môn vật lý của sinh viên lớp Lý trường CĐSP TN khi đọc đề tài.
III. Đối tƣợng
Tìm hiểu, trình bày những vấn đề lý thuyết liên quan đến hạt Higgs và quá trình thực
nghiệm tìm kiếm từ ý tưởng đến lúc tìm ra hạt Higgs
IV. Nhiệm vụ
Trình bày các vấn đề liên quan đến hạt Higgs. Những nghiên cứu từ lúc bắt đầu có ý
tưởng về hạt Higgs cho tới có bằng chứng thực nghiệm về sự hiện diện của hạt Higgs vào
năm 2012.
V. Phƣơng pháp
Đọc tài liệu, và khai triển toán.

Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN
II. Lƣỡng tính sóng hạt
Vật chất có hai dạng chuyển động, dạng chuyển động hạt (gọi tắt là hạt) và dạng
chuyển động sóng (gọi tắt là sóng). Dạng chuyển động hạt đặc trưng bởi sự định xứ của vật
chất trong không gian và sự tồn tại quỹ đạo. Dạng chuyển động sóng đặc trưng bởi sự không
định xứ trong không gian, sóng là quá trình truyền nhiễu loạn trong không gian với vận tốc
không đổi và mang theo năng lượng. Chuyển động của sóng là chuyển động của trạng thái
vật chất chứ không phải là truyền vật chất, là sự truyền pha từ phần tử vật chất này đến phần
tử vật chất kia, chuyển động sóng tuần hoàn trong không gian và thời gian
Thực nghiệm và lý thuyết khẳng định lưỡng tính sóng-hạt là một thuộc tính cơ bản
của vật chất, thể hiện ở mọi đối tượng vật chất khi chuyển động trong không gian. Có nghĩa
vật chất khi chuyển động trong không gian có thể được xem như một sóng đang lan truyền
với bước sóng cụ thể (tính được), và cũng có thể xem như là một hạt đang chuyển động với
động lượng, động năng xác định.
Ví dụ xét vật chất ánh sáng, nó vừa thể hiện tính sóng, vừa thể hiện tính hạt như sau:
+ Hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, và phân cực ánh sáng là những hiện tượng thể hiện
bản chất sóng của ánh sáng mà thực nghiệm quan sát được.
+ Hiện tượng bức xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng compton là những hiện
tượng không thể giải thích dựa trên tính chất sóng của ánh sáng. Để giải thích những hiện
tượng này phải xem ánh sáng như là những hạt gọi là lượng tử ánh sáng. Planck và Einstein
đã đưa ra thuyết lượng tử ánh sáng để giải thích những hiện tượng trên. Vậy để giải thích
thỏa đáng các hiện tượng tự nhiên của ánh sáng thì phải xem ánh sáng vừa là sóng vừa là
hạt. Suy rộng ra vật chất đều có tính lưỡng tính sóng – hạt.
Đối với một bức xạ điện từ đơn sắc tần số

, bước sóng λ lượng tử năng lượng
tương ứng bằng:

.
c

được hầu hết các hiện tượng vật lý ở cấp độ vi mô (nguyên tử, phân tử). Nội dung quan
6
Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm
Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN
trọng của cơ học lương tử là nói về xác suất tìm thấy hạt, hay xác xuất của một sự kiện vật
lý có thể và không thể xảy ra. Cơ học lượng tử không cho biết một cách chính xác các sự
kiện, hay các đại lượng vật lý có xảy ra hay không, mà nó chỉ cung cấp cho ta một xác suất
về vấn đề đó (đây là bản chất vốn có của thế giới vi mô).
Ví dụ: ta có một cái ly đựng cà phê đá, bên trong chứa những viên đá nhỏ. Theo suy
nghĩ của vật lý cổ điển thì nếu ly đá ở trạng thái cân bằng thì các viên đá không bao giờ
“chui” qua thành ly để ra ngoài được, có nghĩa xác suất của sự kiện đó bằng không. Nhưng
theo quan điểm của cơ học lượng tử thì sự kiện đó có thể xảy ra với một xác suất khác
không nhưng rất nhỏ. Có nghĩa là nếu giả sử ta có đủ thời gian để chờ đợi viên đá “chui” ra
khỏi thành ly thì một ngày nào đó ta sẽ nhìn thấy sự kiện đó, đây gọi là nguyên lý bất định
Heisenberg
Theo vật lý cổ điển thì quá trình vật lý hoàn toàn độc lập với các quan sát khác nhau,
có nghĩa là tác dụng của những quan sát chỉ là nhiễu loạn không đáng kể đến trạng thái của
hệ. Vì thế theo vật lý cổ điển ta có thể mô tả một cách tuyệt đối và tường tận trạng thái
chuyển động vật lý của hệ, và có thể lắp ghép các phép đo rời rạc lại thành một bức tranh
thống nhất mô tả trọn vẹn một sự kiện vật lý.
Khác với vật lý cổ điển, trong vật lý lượng tử do đối tượng là các hạt vi mô nên các
quá trình quan sát nó đều gây nhiễu loạn đáng kể nên ta không thể xác định được trạng thái
của hệ một cách chính xác mà chỉ có thể là xác suất.
Lý thuyết tương đối của Albert Einstein bao gồm 2 lý thuyết vật lý: thuyết tương đối
hẹp và thuyết tương đối rộng. Khi các vật chuyển động bằng hoặc xấp xỉ vật tốc của ánh
sáng thì người ta thấy rằng các định luật cơ học của Isaac Newton không thể áp dụng được
nữa, lúc bấy giờ có những hiệu ứng mới lạ như là: thời gian trôi đi trên hai hệ quy chiếu
chuyển động với vận tốc khác nhau thì khác nhau, khi một vật chuyên động càng nhanh thì
kích thước của bản thân nó bị co lại, có nghĩa nó bị ngắn lại theo phương nó đang chuyển
động. Lúc bấy giờ Albert Einstein đã phát triển lý thuyết mới để lý giải những hiện tượng

nào đó, có thể nhìn thấy và cân đo được. Thí dụ về chất như các hạt electron và prôton, các
nguyên tử, các phân tử và các vật thể khác được tạo nên từ các hạt trên.
- Trường là một dạng đặc biệt của vật chất, thông qua trường mà tương tác (hút, đẩy)
giữa các vật cách xa nhau được thực hiện. Trường không có khối lượng nhưng có mang
năng lượng và trường tồn tại liên tục ở khắp mọi nơi. Tác dụng của trường trong chừng mực
nào đó ta cũng có thể nhận biết được - như trường bức xạ nhiệt tác dụng vào da ; một số
trường mà ta đã biết đó là trường điện từ, trường hấp dẫn, trường bức xạ nhiệt,
Chất và trường là hai khái niệm biệt lập nhau, vì thế người ta gắn cho mỗi dạng đó của
vật chất quy luật chuyển động riêng biệt :
- Đối với chất : Quy luật chuyển động hạt mà đặc điểm của nó là sự định xứ và tồn tại
quỹ đạo chuyển động.
- Đối với trường : Quy luật chuyển động sống mà đặc điểm của nó là không định xứ và
không tồn tại quỹ đạo chuyển động - mà là chuyển động của cả một môi trường nào đó.
Như vậy theo vật lý cổ điển - vật lý của thế giới vĩ mô thì hai dạng chuyển động hạt và
chuyển động sóng là hoàn toàn khác hẳn nhau, cũng như chất và trường không thể chuyển
hóa cho nhau được. Nếu dựa vào quan niệm cổ điển về chất và trường và các quy luật
chuyển động tương ứng ta không thể giải thích được các hiện tượng vật lý trong thế giới vi
mô và các sự kiện thực nghiệm liên quan đến nó. Nói cách khác quan niệm cổ điển đó
không còn phù hợp nữa, mà cần thay vào đó quan niệm mới hoàn toàn lượng tử - đó là lý
thuyết trường lượng tử tương đối tính.
Theo lý thuyết tương đối Einstein thì giữa khối lượng và năng lượng có mối liên hệ
gắn bó với nhau theo công thức E = mc
2
. Mối liên hệ mật thiết này thể hiện ở chỗ : chỗ nào
có năng lượng thì chỗ đó có khối lượng và ngược lại. Như thế sự tách biệt giữa chất và
trường theo tiêu chuẩn khối lượng của vật lý cổ điển đã bị xóa nhòa. Khi cơ học lượng tử ra
đời, trên cơ sở những giả thiết của Planck, Einstein và De Broglie đã hình thành quan niệm
lượng tử : Trường cũng có tính gián đoạn, có tính chất hạt" (tính chất lượng tử của trường,
suy ra từ các hiện tượng bức xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện) và những hạt của trường cũng
có thể có những đặc tính của hạt chất ; ngược lại các hạt chất cũng có đặc tính của trường :

Do đó lý thuyết trường lượng tử tương đối tính là lý thuyết thống nhất giữa các hạt và
các trường. Sự đồng nhất các khái niệm hạt và trường được lý giải theo quan điểm là : do
tính chất sóng "lượng tử" của bất kỳ những hạt cơ bản nào và tính chất lượng tử "tính hạt"
của tất cả các trường, mà mỗi một trường (theo cách hiểu cổ điển) đồng thời là tập hợp các
hạt chất, còn mỗi tập hợp các hạt chất (theo cách hiểu cổ điển) là một trường nào đó. Lý
thuyết trường lượng tử ra đời trên cơ sở hòa hợp lý thuyết tương đối và cơ học lượng tử. Vì
thế lý thuyết trường lượng tử là lý thuyết hiện đại cơ bản nhằm tạo nên một lý thuyết nhất
quát về các hạt, các trường và sự tương tác giữa chúng.
Công bằng mà đánh giá thì cơ học lượng tử và sự áp dụng của nó đã giúp chúng ta giải
thích một vấn đề quan trọng về cấu tạo nguyên tử, phân tử ; mặt khác cần áp dụng thành
công trong một loạt các lĩnh vực khác nữa như liên kết Hóa học, Vật lý chất rắn, và Vật lý
hạt nhân nguyên tử. Đồng thời cơ học lượng tử là cánh cửa đầu tiên mở ra cho chúng ta hiểu
nhiều tiên đoán khác trong thế giới vi mô, song một điều cần nghi vấn ở đây là tại sao
trường điện từ là một trong những trường đã biết từ lâu vẫn còn tiếp tục được mô tả bằng
phương trình Maxwell của lý thuyết cổ điển. Bên cạnh đó cơ học lượng tử mới đề cập đến
chuyển động các vi hạt mà không đề cập đến sự sinh và hủy nó. Như vậy cơ học lượng tử
mới chỉ áp dụng để mô tả các hệ số hạt không đổi. Vì lẽ đó để có thể mô tả được cả các
trường và sự sinh hủy các hạt - tức là hệ có thể có một số hạt thay đổi ta phải tiến hành tổng
quát hóa cơ học lượng tử thành lý thuyết trường lượng tử.
Để tổng quát hỏa cơ học lượng tử thành lý thuyết trường lượng tử - tức là thực hiện
phép chuyển từ cơ học lượng tử sang lý thuyết trường lượng tử, chúng ta nhắc lại phép
chuyển từ cơ học cổ điển sang cơ học lượng tử. Đây là bước chuyển từ hạt sang sóng và
được gọi là sự lượng tử hóa lần thứ nhất. Thực chất của bước chuyển này là việc thay thế
các đại lượng vật lý (trong cơ học cổ điển là các hàm số tuân theo quy luật nhân giao hoán
bằng các toán tử tuyến tính tự liên hợp (nói chung không tuân theo phép nhân giao hoán số)
thỏa mãn các hệ thức nhất định.
9
Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm
Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN
Có nhiều hiện tượng trước đây rất khó hiểu chưa giải thích được, thí dụ mômen từ dị

- Phương pháp hình thức luận lượng tử hóa thứ cấp.
- Phương pháp tích phân phiếm hàm.
- Phương pháp hàm Green.
VI. Lý thuyết thống nhất lớn ( GUT - Grand Unification Theory)
Lý thuyết thống nhất lớn, được hình thành trong tiến trình mở rộng mô hình
chuẩn của vật lý hạt. Mô hình chuẩn đã miêu tả chính xác các quan sát thu được tính đến
nay, nhưng nó đã bỏ ngỏ những câu hỏi mang tính chất cơ bản, một trong số đó chính là
việc tại sao tự nhiên lại cần đến 4 lực cơ bản (lực điện từ, lực tƣơng tác hạt nhân yếu, lực
tƣơng tác hạt nhân mạnh, lực hấp dẫn) mà không phải là 1, và tại sao độ lớn, cùng các
tính chất, của chúng lại khác biệt đến vậy. Sự thành công của việc thống nhất tương tác điện
10
Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm
Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN
từ và tương tác yếu trong thuyết điện-yếu đã dẫn đến những nỗ lực nhằm thống nhất tương
tác mạnh và sau cùng là lực hấp dẫn vào làm một, với tên gọi là Lý thuyết thống nhất lớn.
Như trong thuyết điện yếu, sự chênh lệch về độ lớn của các mức năng lượng, dưới
mức năng lượng nghỉ của các boson trung gian được miêu tả bằng việc phá vỡ đối xứng tức
thời. Thuyết GUT đồng thời cũng giải thích sự tương đồng giữa điện tích electron và điện
tích proton.
Điểm nổi bật của thuyết GUT chính là các hằng số cặp của cả 4 tương tác đều có cùng
một giá trị, gần bằng với hằng số mạng tinh thể ở mức năng lượng cao. Tuy nhiên mức năng
lượng thống nhất trong lý thuyết lên đến 10
15
GeV trong khi các máy gia tốc hiện tại mới
chỉ đạt tới 3×10
3
GeV. Vì vậy, cần có một sự tiến bộ lớn trong công nghệ để thực hiện được
những thí nghiệm kiểm chứng cho thuyết GUT.
Sơ đồ sự thống nhất các lực căn bản
Lực điện

Lấy ví dụ như thế này: một người không mấy ai biết đến di chuyển qua phòng này, hẳn
mọi người sẽ chẳng thèm đoái hoài; thế là những người này có thể dễ dàng nhanh chóng đi
qua phòng (và lúc này tốc độ họ đi sẽ rất nhanh, và nếu trong trường hợp không một ai
thèm để ý tới họ, họ sẽ di chuyển với tốc độ ánh sáng, tức họ không hề có khối lượng -
massless)
11
Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm
Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN
Lấy thêm một ví dụ khác: Một người cực kì quan trọng, giả dụ là bà Magaret Thatcher
đi vào phòng, tức thì bà sẽ được bao quanh bởi người trong phòng. Và họ cứ thế vây quanh
bà, bà sẽ di chuyển qua đám đông cực kì khó khăn và chậm chạp. Chính như thế, bà sẽ
"nặng" hơn.
Hai ví dụ mà các nhà khoa học nghĩ ra đã khái quát hóa được chính xác chức năng của
hạt Higgs, Hạt Higgs vây quanh các hạt vật chất và làm cho hạt vật chất có khối lượng, ví
dụ những hạt electron, proton,… Ngược lại hạt Higgs “làm ngơ” với các hạt loại trường, và
làm cho các hạt này không có khối lượng nghỉ, thí dụ là hạt photon ánh sáng. Và như thế hạt
Higgs là nguyên nhân của khối lượng vật chất. Và cuối cùng dự án LHC được tiền vì lời
giải thích hóm hỉnh của các nhà vật lý học.
Newton nghĩ rằng ông đã có lực hấp dẫn trong tay vào năm 1665. Nhưng 250 năm
sau, một khoa học trẻ tên là Einstein đã công nhiên rằng hấp dẫn không phải là một tính chất
của Trái đất hay bất kì vật chất nào khác – hấp dẫn là cái bạn thấy khi vật chất làm biến
dạng không - thời gian.
Quan điểm của Einstein thổi lên những luồng gió mới. Và trong khi kiến thức hiện
nay của thuyết tương đối rộng là không cần thiết cho một cuộc sống hạnh phúc và trọn vẹn,
nhưng nó thiết yếu cho các nhà vật lí mở mang đầu óc của họ xem vũ trụ thật sự hoạt động
như thế nào. Tiến nhanh cho đến bây giờ, và nếu một nhân vật kém nổi tiếng hơn Neuton và
Einstein là Peter Higgs là đúng, thì sự nhận thức của chúng ta về khối lượng sẽ tiến thêm
bước nữa.
Khối lượng là một trong những thứ mà cố hữu chúng ta „có‟ – một số thứ thì nặng
hơn những thứ khác, và khối lượng của các vật không thay đổi từ ngày này sang ngày tiếp

Ý tưởng của Higgs nhận được sự hoan nghênh từ phía đa số các nhà vật lí, và một số
người khác thì la toáng lên bất ngờ. Tại sao ông lại làm phức tạp thêm một khái niệm như
khối lượng vốn đã hoạt động khá tốt?
Trong thế kỉ 20, các nhà vật lí lượng tử đã phát hiện và lí thuyết hóa những thứ ngày
một kì lạ hơn về thế giới hạ nguyên tử. Vào thập niên 1960, các nhà vật lí đang dồn về với
nhau mọi thứ họ biết về các hạt hạ nguyên tử và các tương tác của chúng thành một lí thuyết
hoặc mô hình. Đó là một lời kêu gọi lớn, với sự thưởng phạt lớn – mọi thứ cấu tạo từ vật
chất, cho nên việc tìm hiểu các hạt cấu tạo nên vật chất và các lực chi phối cái diễn ra ở cấp
độ ấy là công việc ưu tiên hàng đầu.
Vào đầu thập niên 1970, mô hình xuất hiện gần như làm được công việc đó. Mô hình
Chuẩn của vật lí hạt cơ bản bao quát 12 hạt hạ nguyên tử (bao gồm electron cũng như các
quark cấu tạo nên neutron và proton), các phản hạt của chúng, và ba trong số bốn lực chi
phối mọi tương tác của chúng. Nó còn tiên đoán các hạt chưa biết vào lúc ấy, nhưng rồi đã
được tìm thấy trong các thí nghiệm năng lượng cao. Khi mô hình trên tiến trình hoàn thiện,
thì người ta gặp hai trở ngại lớn.
Một trong những trở ngại này là nó không cho phép bất kì hạt nào có khối lượng.
Mọi hạt trên thực tế chúng ta biết là có khối lượng – nó đã được đo và chứng minh – nên vật
lí học cần một lời giải cho bài toán khối lượng, hay nó cần một mô hình mới. Đó là nơi ngài
Higgs của chúng ta và trường lực mang tên ngài xuất hiện.
Nếu trường Higgs thật sự là cơ sở của khối lượng, thì thật là tốt cho bản thân các hạt
hạ nguyên tử không có khối lượng vì chúng cần đến nó chỉ bởi việc tương tác với trường, và
Mô hình Chuẩn vẫn trụ vững. Nhưng nếu rốt cuộc không có trường Higgs, thì chúng ta
chẳng có cách nào giải thích khối lượng và vật lí hạt sơ cấp sẽ ở lại với Mô hình rất Dưới
chuẩn.
Vậy làm thế nào chúng ta tìm ra một trường không nhìn thấy chiếm giữ mọi góc cạnh
không gian trong vũ trụ? Chúng ta hãy săn tìm boson của nó.
Cơ chế Higgs là một quá trình trong đó các boson gauge của lý thuyết gauge có thể
nhận được khối lượng khối lượng khác zero thông qua sự phá vỡ đối xứng tự phát.
Cách thực hiện đơn giản nhất của cơ chế này là đưa thêm từ ngoài vào lý thuyết
gauge một trường gọi là trường Higgs. Sau đó sự phá vỡ đối xứng tự phát của đối xứng định

Z có khối lượng, và chỉ có neutrino có khối lượng gần bằng 0. Như vậy là không ổn, để giải
quyết điều này, người ta cho rằng ban đầu các lepton đúng là có khối lượng bằng 0, thời
điểm này đã rất xa hiện tại, và có thể hiểu nó gần mới thời điểm của vụ nổ Big Bang.
Cụ thể hơn, nhiệt độ của vũ trụ khi ấy rất lớn và các hạt do đó chuyển động nhanh và
mang năng lượng cao. Khi nhiệt độ vũ trụ giảm đi thì điều đó không còn đúng nữa, người ta
cho rằng việc giảm nhiệt này dẫn tới một sự phá vỡ đối xứng giữa các hạt fermion kết cặp ở
trên. Đồng thời với sự phá vỡ này, nhà vật lý Peter Higgs đưa vào một hạt boson có spin = 0
để khi tương tác với các hạt kết cặp nó sẽ truyền khối lượng cho các hạt đó, như vậy thì các
lepton mang điện (electron) và các boson truyền tương tác yếu sẽ có khối lượng. Hạt đó sau
này được gọi là Higgs boson. Do đó Higgs vô cùng quan trọng với lý thuyết Mô hình chuẩn,
có thể nói gần như tất cả những dự đoán của Mô hình chuẩn đã được kiểm chứng, việc còn
lại là người ta chắc chắn rằng hạt được tìm thấy ở CERN vào 4/7/2012 là hạt Higgs, và mọi
người đã có niềm tin là như thế.
Như đã nói ở trên, phá vỡ đối xứng kết cặp chỉ xảy ra ờ thời điểm mà vũ trụ bắt đầu
nguội đi sau Big Bang, khi ấy thì hạt Higgs xuất hiện. Vì thế để có thể dò tìm hạt Higgs,
người ta cần mô phỏng lại những điều kiện như thế. Các điều kiện này chỉ có thể có ở
những máy gia tốc có năng lượng rất cao như LHC (Máy gia tốc hạt lớn) ở CERN (Trung
tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu, trụ sở chính tại Thụy Sỹ) và Tevantron ở Fermilab (bang
Illinois, Hoa Kỳ).
Khi hạt được tìm thấy ở CERN chính là hạt Higgs thì công cuộc tìm kiếm mảnh ghép
cuối cùng của mô hình chuẩn sẽ kết thúc. Môt lý thuyết đẹp tuyệt đã được giải mã hoàn
toàn. Thực sự là khi ấy chưa biết điều gì sẽ xảy ra tiếp theo nữa. Có thể người ta đi giải
quyết một số vấn đề khác như khối lượng của hạt neutrino, ứng viên vật chất tối và rồi lại
nảy sinh một hạt cơ bản mới, thậm chí tương tác mới Có thể rất nhiều trong số chúng sẽ
14
Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm
Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN
được sử dụng để chiếc chip máy tính của chúng ta chạy với tôc độ chóng mặt hay một cơ
chế cho phép bạn du hành vũ trụ , đó là việc của tương lai.
Mô hình chính thống (SM - Standard model) của vật lý hạt là thuyết miêu tả về tương

neutron và electron, những fermion cấu thành nền phần lớn các vật chất. Mô hình chính
thống xác định mỗi electron là hạt cơ bản; proton và neutron là hạt tổ hợp, được tạo bởi các
hạt nhỏ hơn có tên gọi là quark. Các hạt quark dính với nhau bởi tương tác mạnh.
Các fermion có thể được sắp xếp trong 3 lớp, lớp thứ nhất có chứa electron, quark trên
(up), quark dưới (down) và electron neutrino. Tất cả các vật chất nguyên sinh được tạo bởi
nhóm hạt ở lớp đầu tiên; các hạt ở lớp cao hơn phân rã nhanh chóng xuống lớp thứ nhất và
chỉ có thể được tổng hợp trong một thời gian thực ngắn, thông qua các thí nghiệm năng
lượng cao. Lý do để sắp xếp các fermion vào các lớp khác nhau mặc dù các đặc điểm của
chúng gần giống nhau, ví dụ như electron và muon cùng có spin bán nguyên và có cùng
15
Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm
Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN
điện tích electron, là do khối lượng của muon lớp gấp 200 lần khối lượng của electron, do
đó chúng được sắp xếp vào các lớp riêng biệt.
Mặc dầu mô hình chính thống đã có một thành công rất lớn trong việc giải thích các
kết quả của thực nghiệm, song nó vẫn chưa thể trở thành một thuyết hoàn chỉnh trong vật lý
cơ bản. Đó là do 2 nguyên nhân:
* Mô hình này còn chứa 19 tham số tự do, như khối lượng của các hạt. Các tham số
này không thể tính toán một cách độc lập
* Mô hình này không miêu tả tương tác hấp dẫn
Hiện tại, mô hình này đang gặp một thử thách không nhỏ, đó là nghi vấn về sự xuất
hiện của các hằng số không bền, như c hay e, hay cả hằng số mạng tinh thể. Nếu như các
định luật vật lý được chứng mình có vị trí phụ thuộc và có thể khác nhau ở các tọa độ đặc
biệt trong không gian, điều đó có nghĩa là tất cả các thí nghiệm sử dụng để chứng minh cho
mô hình chính thống đều không hợp lệ.
VI. Lý luận mới về hạt vật chất tạo nên vũ trụ
Giáo sư Hosoya Yu thuộc trường Đại học Osaka (Nhật Bản) đã đưa ra một lý luận mới
cho rằng hạt Higgs boson - dùng để xây dựng mô hình lý thuyết chính thống và hạt vật chất
tối. Lý luận mới này nếu được chứng thực sẽ làm thay đổi rất lớn lý luận về vũ trụ hiện nay.
Higgs boson là một loại hạt được cho là nguồn gốc chất lượng của vũ trụ và là hạt mới

17
Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm
Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN
CHƢƠNG 2 – QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM TÌM KIẾM HẠT HIGGS

Tìm kiếm boson Higgs đòi hỏi nhiều thủ thuật. Giống như đa số các hạt hạ nguyên tử,
nó không bền, và chỉ tồn tại ở các năng lượng cao. Loại năng lượng vào khoảng ngay sau
Big Bang, hoặc khi chúng ta cho các hạt hạ nguyên tử lao vào nhau ở tốc độ gần như bằng
ánh sáng. Do đó việc tìm hạt Higgs gắn liền với sự phát triển của các máy gia tốc va chạm
hạt, có thể nói là không thể thiếu những cỗ máy này. Vì vậy, quá trình phát triển của các
máy gia tốc cũng chính là quá trình tiến gần tới hạt Higgs. Do đó theo dõi sự “truy lùng hạt
Higgs” cũng chính là theo dõi sự phát triển của những máy gia tốc. Chúng ta điểm qua quá

lên đến 7 TeV, từ trường của các nam châm siêu dẫn lưỡng cực được tăng từ 0.54 lên
8.3 tesla (T). Các proton ở mỗi đường dẫn sẽ có năng lượng đạt 7 TeV, giúp cho năng lượng
va chạm đối diện đạt 14 TeV (tương đương 2.2 μJ). Ở mức năng lượng này, các proton có
hệ số Lorentz là 7.500 và di chuyển với vận tốc bằng 99,9999991% vận tốc ánh sáng. Mỗi
giây chúng bay quanh đường hầm 11,000 vòng. Các proton không phải là tia liên tục, thay
vào đó được tạo thành các chùm, với khoảng 2,808 chùm, với số lượng đó, khoảng thời gian
giữa các va chạm không bao giờ ngắn hơn 25 ns. Khi máy gia tốc lần đầu tiên được sử
dụng, nó sẽ hoạt động với số chùm ít hơn, khoảng cách thời gian mỗi chùm là 75 ns. Số các
chùm sau đó sẽ được tăng lên cho đến quãng cách cuối cùng là 25 ns.
Trước khi được đưa vào bộ gia tốc chính, các hạt được đi qua một chuỗi hệ thống tuần
tự làm tăng năng lượng của chúng. Hệ thống đầu tiên là máy gia tốc hạt tuyến tính Linac 2
gia tốc các proton lên động năng 50 MeV, sau đó được đưa vào máy Proton Synchrotron
Booster. Các proton tại đó được tăng tốc lên 1.4 GeV rồi được dẫn vào máy Proton
Synchrotron (PS), ở đây chúng đạt động năng 26 GeV. Cuối cùng máy Super Proton
Synchrotron (SPS) được dùng để tăng năng lượng của chúng lên 450 GeV trước khi dẫn vào
(qua một giai đoạn 20 phút) vòng tròn chính. Tại đây các chùm proton được tích lũy và tăng
tốc lên năng lượng đỉnh là 7 TeV, cuối cùng chúng được dự trữ trong 10 đến 24 tiếng trong
khi các va chạm xảy ra tại 4 giao điểm.
Máy LHC cũng sẽ được dùng để tạo va chạm các ion nặng chì (Pb) với năng lượng
tương tác là 1150 TeV. Các ion Pb đầu tiên sẽ được gia tốc bởi máy gia tốc tuyến tính Linac
3, còn máy phun năng lượng thấp Low-Energy Injector Ring được dùng làm bộ lưu trữ ion
và làm mát. Các ion sau đó sẽ được gia tốc lên thêm bằng máy PS và SPS trước khi dẫn vào
máy LHC, ở đây chúng đạt năng lượng 2,76 TeV trên mỗi hạt nhân. 19
Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm
Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN

II. Các bộ phân tích cua LHC

"Khúc mắc là ở chỗ, một kết nối cáp đồng trong số 10 nghìn chiếc đã không được hàn. Thất
thoát nhiệt dẫn tới heli lỏng lọt vào buồng chân không, áp lực tăng lên, làm hỏng khoảng 50
đoạn nam châm siêu dẫn. Chúng tôi đã kiểm tra lại 10 nghìn kết nối và phát hiện rằng đây
là trường hợp duy nhất".
20/11/2009: cỗ máy bắt đầu hoạt động trở lại.
Hồi tháng 3/2010, đã tạo ra các dòng hạt công suất 3,5 TeV - teraelectronvolt.
IV. Chi phí của dự án LHC
Tổng chi phí cho dự án được yêu cầu ở mức từ 3,2 đến 6,4 tỷ đô la. Công trình xây
dựng mang tên LHC được đồng ý vào năm 1995 với kinh phí là 2,6 tỷ franc Thụy Sĩ (1,6 tỷ
đô la), cộng với 140 triệu đô la cho các nghiên cứu. Tuy nhiên, chi phí đã tăng lên, theo ước
lượng năm 2001, máy gia tốc cần chi phí 300 triệu đô la (480 triệu franc), và các thí nghiệm
cần 30 triệu đô la (50 triệu franc), cùng với việc cắt giảm chi phí của CERN, thời gian dự
kiến hoàn thành cũng chuyển từ năm 2005 sang tháng 4 năm 2007. Những nam châm siêu
dẫn cần mức giá tăng thêm là 120 triệu đô la (180 triệu franc). Ngoài ra còn có nhiều trở
ngại như việc xây một hang ngầm cho chiếc máy Compact Muon Solenoid, nơi gây ra một
tai nạn chết người.
V. Sứ mạng của LHC
Sau đây là những vấn đề lớn mà các nhà vật lý kỳ vọng có được câu trả lời nhờ máy
gia tốc LHC (và ILC).
Sự truy tìm hạt Higgs đúng là bài toán nền tảng. Nhưng sau bài toán này hàm ẩn nhiều
bài toán khác như: vì sao lực hấp dẫn lại yếu hơn các lực khác nhiều đến thế? vật chất tối là
gì ? đâu là bản chất của không thời gian? phải chăng vật chất tối là một loại hạt mới? Và
điều đáng chú ý là những vấn đề ấy lại liên quan với nhau và với vấn đề hạt Higgs. Có thể
liệt kê cụ thể hơn các vấn đề:
1) Kiểm tra Mô hình Chuẩn và nghiên cứu điều gì đã phá vỡ đối xứng điện yếu: vấn đề
trung tâm là tìm hạt Higgs.
2) Phát hiện các hạt siêu đối xứng: theo lý thuyết siêu đối xứng SUSY (SuperSymetry) ứng
với mỗi hạt fermion có spin bán nguyên tồn tại một hạt siêu đối xứng boson có spin nguyên
và ngược lại. Lý thuyết siêu đối xứng quan trọng cho sơ đồ thống nhất 4 loại tương tác.
3) Vật chất tối: những hạt WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles-những Hạt có

kiện" trong đó một hạt Sigma+ phân rã thành một photon và một cặp muon, phản muon.
Mặc dù 3 "sự kiện" thường không liên quan đáng kể đến nhau, nhưng German Valencia
(Đại học Tổng hợp bang Iowa, Mỹ) cùng các đồng nghiệp đã giả định rằng các sự kiện này
22
Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm
Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN
có thể được hiểu như một bằng chứng cho một hạt mới với khối lượng 214,3 MeV, được họ
đặt cho tên là "hạt HyperCP".
Do nó khá nhẹ và có xác suất tương tác yếu, HyperCP sẽ không phù hợp với mô hình
trường chính thống. Tuy nhiên, nó có thể được giải thích bằng cách sử dụng "Mô hình chính
thống siêu đối xứng gần đúng cực tiểu" (Next-to-minimal supersymmetric standard model -
NMSSM). Đây là một trong số các mô hình siêu đối xứng, có xu hướng lý giải tại sao các
lực cơ bản lại có sự khác biệt đến vậy về cường độ bằng cách giả thiết 2 hoặc nhiều hơn số
các hạt. Trong mô hình NMSSM, có 7 Higgs boson, và nhóm của Valencia cho rằng hạt
HyperCP có thể là hạt nhẹ nhất trong số này.
Gặp gỡ Blois lần thứ 22 diễn ra từ ngày 15 đến 20-7-2010 đưa ra và phân tích kết quả
đầu tiên thu được tại LHC, Gặp gỡ Blois 2010 cũng lắng nghe các báo cáo về những vấn để
thời sự khác trong vật lý hạt cơ bản, như về cuộc săn lùng hạt Higgs.
Hội nghị vật lý hạt và năng lượng cao (HEP-International Conference on High Energy
Physics) vừa diễn ra tại Paris, Pháp từ ngày 22 đến ngày 28 tháng 7, năm 2010. Tại hội nghị
này, số liệu của máy gia tốc LHC được phân tích và công bố tiếp theo “Gặp gỡ Blois”.
Ngay sau hội nghị chính tại Paris, một hội nghị vệ tinh đã được tổ chức tại thành phố
Orsay, Pháp từ ngày 29 đến 31 tháng 7/2010 với tiêu đề “Higgs Hunting”– nơi giới thiệu
và so sánh những kết quả mới nhất thu được từ hai phòng thí nghiệm hiện đại bậc nhất trong
lĩnh vực HEP là Tevatron ( Mỹ) và LHC.
Cuối cùng hạt Boson Higgs đã xuất hiện ở Máy gia tốc hạt lớn LHC, hay nói cách khác
“hạt của chúa” đã được con người “nhìn” thấy. Vào ngày 4/7/2012 một seminar được tổ
chức tại CERN nhằm chuẩn bị cho cuộc hội thảo quan trọng trong ngành vật lý hạt,
ICHEP2012 tại Melbourne, hai nhóm thí nghiệm ATLAS và CMS đã trình bày những kết
quả sơ bộ mới nhất trong cuộc tìm kiếm hạt Higgs. Cả hai nhóm thí nghiệm đều quan sát

Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm
Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN
25
Vấn đề hạt Higgs – tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm
Trần Văn Thảo Đơn vị: Phòng KH & CN
CHƢƠNG 3 - KẾT LUẬN

đường? hay họ sẽ bị rơi vào bế tắc vào điểm chết? Mọi điều đang chờ đợi các nhà vật lý ở
phía trước.
Vật lý, nó chứa trong nó những trừu tượng, cách mà con người nhìn nhận, đánh giá
về thế giới xung quanh. Trong thế giới ấy, logic, toán học là những công cụ chiếm ưu thế.
Nên vật lý đôi khi rất rất khó cảm nhận. Tuy nhiên cái khó đó có thể vượt qua một cách dễ
dàng khi cách tiếp cận Vật lý bằng đầu óc ngây thơ kèm với tính hoài nghi! Tại sao phải
ngây thơ, ngây thơ để bắt đầu chấp nhận lắng nghe; để không bị bất cứ thứ tâm lý vụng vặt
nào cản trở, để có được sự trừu tượng cao nhất! Hoài nghi để luôn hỏi tại sao, để luôn luôn
rõ ràng và chính xác!