Hầu như đồng thời vào hè năm 1964, sáu nhà vật lý độc lập với nhau cùng đề xuất một cơ chế mang khối lượng cho vạn vật. Cơ chế BEH (Brout, Englert, Higgs, coi phụ chú 5) này là nền tảng của Mô Hình Chuẩn, một lý thuyết diễn tả nhất quán và chính xác ba lực cơ bản của Tự nhiên: điện từ, lực mạnh và lực yếu của hạt nhân nguyên tử. Cùng với lực hấp dẫn (diễn tả bởi thuyết Tương đối rộng) chúng hợp thành bốn lực cơ bản chi phối cách vận hành và cấu trúc của vạn vật. Để chứng tỏ cơ chế BEH không chỉ là một ý tưởng thuần lý thuyết mà trái lại có thể kiểm chứng bởi thực nghiệm, điều tối quan trọng trong khoa học, riêng P. Higgs đã đề xuất là phải hiện hữu một hạt cơ bản vô hướng (spin 0). S.Weinberg gọi hạt này là boson Higgs mà CERN vừa tìm thấy dấu vết rất khả tín ngày 04/07/2012.

Hiện tượng lịch sử này các nhà vật lý hồi hộp đón chờ từ năm 1984 khi Trung tâm Âu châu Nghiên cứu Hạt nhân Nguyên tử (CERN) quyết định xây dựng máy gia tốc khổng lồ LHC¹ có năng lượng cao nhất thế giới để săn tìm hạt Higgs. Nó mở đầu một chương mới trong vật lý vì đây là lần đầu con người khám phá ra một lực mới lạ, lực mang khối lượng cho vật chất, coi như lực cơ bản thứ năm của Tự nhiên, bên cạnh bốn lực cơ bản quen thuộc nói ở trên. Nó gợi ra cách tiếp cận mới về khối lượng của vật chất, khác với quan điểm cố hữu coi khối lượng (hay năng lượng) là cái gì cho trước bởi Tự nhiên mà không ai hiểu nguồn gốc sâu xa. Có thể khối lượng của vật chất được tạo ra bởi sự tương tác của chúng với trường Higgs tràn đầy trong chân không của vũ trụ từ thủa nguyên thủy Big Bang. Khởi đầu tất cả đều không có khối lượng, do tương tác với trường Higgs mà vật chất mang khối lượng, nặng hay nhẹ tùy theo cường độ tương tác lớn hay nhỏ của chúng, càng tác động mạnh vật chất càng có khối lượng lớn.

Nguyên nhân nào thúc đẩy sáu nhà vật lý sáng tạo ra cơ chế BEH ? Khởi đầu là sự tìm hiểu tại sao hạt ánh sáng (photon γ) không khối lượng lại trở thành có khối lượng khi nó di chuyển trong các vật liệu siêu dẫn. Nguyên lý “Đối xứng Chuẩn” (local gauge symmetry), trụ cột chi phối toàn diện bốn định luật cơ bản nói ở trên, bó buộc photon phải có khối lượng bằng 0, điều phù hợp với nguyên lý bất định Heisenberg theo đó khối lượng của một vật tỷ lệ nghịch với tầm truyền của nó (phụ chú 6). Vì đối xứng chuẩn bị phá vỡ một cách tự phát (spontaneously broken) trong hiện tượng siêu dẫn khiến cho photon như mang một khối lượng. Vì có khối lượng nên nó chỉ có thể di chuyển trong một khoảng cách ngắn nhất định, khác với bản tính tự tại của sóng điện từ có thể truyền đi vô hạn. Bức tường ngăn chặn photon di chuyển trong vật liệu siêu dẫn chính là muôn ngàn cặp Cooper liên kết hai electron có spin đối nghịch và như vậy mang spin 0. Vì mang spin 0 nên các cặp này có thể hoà đồng như một ngưng tụ Bose-Einstein để vận hành như một dòng chảy của muôn ngàn điện tích và trở nên siêu dẫn.

Đối xứng chuẩn và sự phá vỡ tự phát của nó đóng vai trò chủ yếu của lực cơ bản thứ năm mà sự khám phá ra hạt Higgs là một bước ngoặt lịch sử.

Ba giới hạn của thế giới vật lý (lượng tử, hấp dẫn
và năng lượng tối) và những giao điểm của chúng
(thang Plank, Vũ trụ và “neutrino”). Xem thêm
arXiv physics.1201.0961.

LHC đã được thai nghén từ 30 năm trước. Một thế hệ các nhà vật lý trẻ đã cống hiến phần lớn sự nghiệp khoa học của mình để xây dựng LHC. Sự cống hiến như vậy cho riêng một dự án kéo dài trong nhiều năm không phải bình thường trong khoa học. Nó đòi hỏi nhiệt huyết, sự quyết tâm và niềm tin vào thành công của dự án.

Hai nhà vật lý, Fabiola Gianotti và Joe Incandela, những người đã trình bày kết quả của hai thí nghiệm ATLAS và CMS, là hai đồng nghiệp trẻ của tôi tại UA2 (thí nghiệm mà tôi là phát ngôn viên trong những năm tám mươi). Fabiola tham gia vào thí nghiệm khi cô còn là một nghiên cứu sinh trẻ. Có lần tôi trực vận hành máy gia tốc cùng với cô; hôm đó đường điện bị hỏng do một cơn bão nên máy không thể vận hành được trong khoảng thời gian dài. Chúng tôi không thể làm gì hơn ngoài việc chờ đợi. Lúc đó, Fabiola mang theo cuốn sách Finnergans Wake của tác giả James Joyce. Chúng tôi đã nói rất nhiều về James Joyce và cả tiểu thuyết Ulysses của ông. Tôi rất ấn tượng về cô ấy: ở tuổi cô, tôi thậm chí không biết James Joyce là ai. Còn Joe thì tham gia cùng với chúng tôi khi anh là thực tập sinh sau tiến sỹ. Anh thực hiện nghiên cứu về đơn cực từ Dirac cho luận án tiến sỹ của mình tại Chicago. Mặc dù, Joe không tìm thấy đơn cực từ nào nhưng anh thiết lập được những điều kiện ràng buộc chặt chẽ về sự tồn tại của chúng. Tôi nhớ khi đến thăm Joe vào thời điểm đó, thí nghiệm của anh được bày trên một chiếc bàn, nổi bật lên là một vòng dây lớn và anh ấy gần như chỉ làm việc một mình. Bây giờ, anh làm việc cùng với hàng ngàn cộng sự…

Bất cứ ai từng học hết chương trình vật lý phổ thông đều biết một hiện tượng rất lý thú, đó là hiện tượng giao thoa ánh sáng, mà ví dụ tiêu biểu nhất là thí nghiệm giao thoa hai khe Young (Young’s double slit interference experiment). Đây là thí nghiệm thực hiện vào năm 1803 bởi nhà vật lý học người Anh, Thomas Young. Năm 1799, Young đã viết một luận án về toán lý và trình bày trước Viện Hàn lâm Vương quốc Anh (Royal Society) và khẳng định ý tưởng về việc ánh sáng chuyển động như một sóng. Nên nhớ là trước Young, một nhà vật lý vĩ đại khác của Anh (và của nhân loại) là Isaac Newton đã cho rằng ánh sáng chuyển động như một chùm hạt, vì thế mà luận văn này chưa thể được chấp nhận bởi đông đảo các nhà khoa học ở Royal Society. Thế nhưng, Young vẫn tiếp tục không nản lòng với ý tưởng và đã xây dựng thành công thí nghiệm giao thoa 2 khe để khẳng định cho ý tưởng của mình. Từ thí nghiệm của Young, các nhà khoa học khác (như Fresnel, Poisson…) đã phát triển lý thuyết về sóng ánh sáng và lý thuyết sóng ánh sáng đã được công nhận rộng rãi. Thí nghiệm Young giờ đây được coi là một trong những thí nghiệm kinh điển, đẹp nhất của thời đại.

Bước sang thế kỷ 20, Einstein và Planck lại làm một cuộc cách mạng “lật ngược” điều này khi chứng minh rằng ánh sáng thể hiện như một chùm hạt với các thí nghiệm về hiệu ứng quang điện và xây dựng nền móng cho cơ học lượng tử. Louis de Broglie, một nhà vật lý người Pháp, đã “phán” một câu “xanh rờn” trong luận án tiến sĩ vào năm 1924, rằng sóng hay hạt cũng chỉ là hai mặt của vật chất, một vi hạt chuyển động với xung lượng sẽ tương ứng với một sóng có bước sóng cho bởi:

Luận án của Louis de Broglie được đánh giá bởi Albert Einstein, và nhận được sự khích lệ lớn từ Einstein. Và sự chuyển động như một sóng của một chùm hạt đã ngay lập tức được thực nghiệm chứng minh bởi thí nghiệm nhiễu xạ điện tử của Clinton Davisson và Lester Germer (ở Bell Lab, Hoa Kỳ) vào năm 1927 và George Paget Thomson (University of Aberdeen, Scotland) vào năm 1926 một cách độc lập. Cơ học lượng tử trở nên vững chắc hơn với nền tảng “lưỡng tính sóng hạt của vật chất”. Ngày nay, lưỡng tính sóng hạt vẫn có thể quan sát một cách rất phổ biến trong các thiết bị nhiễu xạ chùm điện tử, nhiễu xạ chùm neutron. Nhưng liệu khi khối lượng các hạt trở lên rất lớn (cấp độ phân tử), ta còn có thể quan sát hiệu ứng lượng tử này nữa không?

Các nhà thiên văn học vừa phát hiện ra một ngoại hành tinh (exoplanet – hành tinh ngoài hệ Mặt trời) nặng hơn Mộc tinh khoảng 10 lần, nhưng chỉ mất có không đầy một ngày để hoàn thành quỹ đạo của nó quanh một ngôi sao. Theo những kiến thức hiện thời về sự hình thành và phát triển của hành tinh, các nhà khoa học đã dự đoán hành tinh hơn một tỉ năm tuổi này còn khoảng một triệu năm trước khi nó bị cuốn vào sao chủ. Tuy nhiên, sự cố này có thể hiếm hoi xảy ra, cho phép dự đoán rằng các nhà vật lý có thể phải xem lại sự hiểu biết của họ về việc các ngôi sao tương tác như thế nào với các hành tinh của chúng (Theo Nature 460, 1098).