nhìn lại SIÊU ĐỐI XỨNG
Siêu đối xứng -
một khủng hoảng trong vật lý ?
Siêu đối xứng (SUSY-Supersymmetry) khẳng định rằng mỗi hạt có một siêu
hạt tương ứng, các nhà vật lý đang truy tìm các siêu hạt. SUSY được đánh giá
cao vì giúp giải quyết nhiều vấn đề trong vật lý lượng tử, như vấn đề vật chất
tối. Các nhà vật lý hy vọng tìm thấy các siêu hạt trên LHC (Large Hadron
Collider). Song đến hiện nay mọi cố gắng đều vô vọng. Nếu trong thời gian đến
LHC cũng bất lực thì SUSY quả rơi vào bế tắc. Điều này dẫn đến một tình trạng
khủng hoảng vật lý các hạt cơ bản.Sau đây là nội dung cơ bản bài viết của hai
tác giả Joseph Lykken (Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia) và Maria
Spiropulu (California Institute of Technology) công bố trên Scientific American
tháng 5/2014.
Thế nào là siêu đối xứng?
SUSY
là đối xứng trong đó mỗi hạt có tương ứng một siêu hạt đi kèm với spin khác
spin của hạt là ½, như vậy SUSY sẽ biến
đổi fermion thành boson và ngược lại.Nếu LHC sẽ phát hiện SUSY (Siêu Đối xứng) khi năng
lượng của LHC tăng lên từ 8 đến 14TeV thì điều này có ý nghĩa là một đối xứng
mới cơ bản ra đời và xuất hiện một cộng đồng mới của nhiều s hạt (s chỉ
hạt siêu đối xứng) đi song đôi với các
hạt đã biết như trong hình 1. Hạt Higgs với
spin 0 sẽ có tương ứng hạt s tương ứng là higgsino với spin bằng ½.Hạt photon
có hạt s đồng hành là photino còn hạt Z có siêu đồng hành là zino.
Hình 1 . Trên hình 1 bên trái là các hạt trong
mô hình chuẩn còn bên phải là các hạt s (hạt siêu đối xứng) tương ứng
Một
chú ý quan trọng là ta có thể kết hợp các hạt siêu đối xứng higgsino+zino
+photino để có một hạt có tên là neutralino. Neutralino là một
ứng viên đắt giá cấu thành vật chất tối (dark matter) của vũ trụ.
Đã 40 năm trôi qua từ lúc
SUSY ra đời (1970). Đến nay LHC vẫn chưa tìm ra được dấu hiệu của SUSY. LHC sẽ
bắt đầu giai đoạn mới vào năm 2015 ở một năng lượng cao hơn, điều này sẽ giúp
các nhóm ATLAS ( A Toroidal LHC Apparatus) và CMS (Compact Muon Solenoid) hoặc
khẳng định hoặc phủ định SUSY. Nếu không có điều gì mới sẽ xảy ra thì hoặc từ
chối SUSY hoặc cần một máy gia tốc lớn hơn để tìm ra SUSY?
Chúng ta biết Mô hình Chuẩn
(SM -Standard Model) đã cho nhiều kết quả trùng với thực nghiệm. Song cũng còn
những vấn đề ví dụ vì sao chỉ có 3 loại lepton (electron, muon và tau), sao
không là 2, 4 hay 15? Cần nhưng lý thuyết mới dẫn đến sự tồn tại các hạt mới
Những hướng lý thuyết mới sau SUSY
Nếu SUSY không được tìm ra
thì các nhà vật lý hy vọng sẽ phát triểm lý thuyết theo 3 hướng sau đây.
1 / Lý thuyết đa vũ trụ
(Multiverse)
Đa
vũ trụ (multiverse) là một tập giả định nhiều vũ trụ khả dĩ ( trong đó có vũ
trụ của chúng ta) gồm mọi sự tồn tại vật lý: không thời gian, vật chất , năng
lượng các định luật vật lý, các hằng số vật lý. Những vũ trụ khác nhau trong đa
vũ trụ còn có lúc được gọi là vũ trụ song song (parallel universe).
Từ
đa vũ trụ được sử dụng bởi Williams James năm 1895, J.C.Powys năm 1955 và bởi
nhà tiểu thuyết viễn tưởng Michael Moorcock năm 1962.
(xem
hình 2).Khái niệm đa vũ trụ từ khoa học viễn tưởng đã bước vào các tạp chí khoa
học từ năm 1990. Nhiều nhà khoa học cho rằng tồn tại triệu triệu vũ trụ khác,
mỗi vũ trụ với những định luật vật lý riêng nằm ngoài chân trời quan sát của
chúng ta. Tất cả được gọi là đa vũ trụ (multiverse).Trong một tập vô hạn như thế mọi điều tưởng chừng như không thể đều trở thành có thể.
Hình 2. Hình
ảnh nghệ thuật của đa vũ trụ
Cường độ các lực cơ bản, kích
thước các hạt chứa nhiều con số mà hiện nay vẫn là điều bí ẩn đối với các nhà
khoa học. Chúng ta không muốn nghĩ rằng các số đó là ngẫu nhiên, vì nếu các số
đó chỉ sai lệch đi một chút thì vũ trụ không còn tình trạng như hiện nay. Các
nguyên tử sẽ khác đi và sự sống cũng không còn. Nói theo kiểu các nhà vật lý
thì vũ trụ đã được “chỉnh đúng tần số” ( finely tuned). Ta có thể đưa ra giả
thuyết là hiện trạng “chỉnh đúng tần số” chỉ là một điều ngẫu nhiên. Như vậy
phải tồn tại nhiều vũ trụ khác với các “tần số” khác nhau. Big Bang đã tạo ra
vô số vũ trụ chỉnh đúng theo nhiều “tần số”.Vậy câu hỏi tại sao electron có
khối lượng như vậy sẽ có được câu trả lời như sau: đó chỉ là một ngẫu nhiên vì
tồn tại một đa vũ trụ trong đó electron có nhiều khối lượng khác nhau. Đây chỉ
là ngẫu nhiên của lịch sử vũ trụ.Chỉ trong vũ trụ “chỉnh đúng tần số” nào đó
mới sản sinh được những nhà vật lý ngồi đấy để suy tư vì sao không có SUSY!
2 / Các chiều dư (ED-Extra
dimensions)
Vấn đề về số
chiều dư của không thời
gian là vấn đề có ý nghĩa lớn đối với vật lý đề cập đến cấu trúc
tinh tế của không thời gian. Liệu không thời
gian thực tại có
4 chiều (3 chiều
không gian và 1chiều thời
gian) hay 5 chiều hay 10,11 chiều.Các chiều
ngoài số 4 chiều
thông thường được gọi là
các chiều dư. Sự phát hiện các ED sẽ là một sự kiện đầy ấn tượng.Các chiều dư đang được truy tìm tại LHC và những
máy gia tốc khác. Vấn đề ED
là một trong các
vấn đề cơ bản nhất của vật lý (và triết học).
Các nhà vật lý Lisa Randall (Harvard University- hình 3) và Raman Sundrum
(University of Maryland), chứng minh rằng một chiều dư với hình học cong (
warped geometry) có thể giải thích được vì sao hấp dẫn có tương tác yếu hơn các
tương tác khác.
Hình 3.
Lisa Randall, GS vật lý lý thuyết Đại học Harvard được báo Time xếp vào top 100 những nhân vật có ảnh hưởng lớn trên thế giới vì những nhận thức có tính cách mạng đối với thực tế vật lý học và những chiều dư (extra dimensions) tiềm ẩn của vũ trụ.
Nếu chiều dư là vi mô thì chúng ta khó lòng nhận biết được song ảnh hưởng
của kích thước và hình dạng của chúng lại có nhiều hệ quả quan trọng đến vật lý
các hạt cơ bản năng lượng cao. Trong những mô hình như vậy chúng ta sẽ không đi
tìm các siêu hạt mà cần truy tìm các mode KK (Kaluza-Klein modes) là những hạt
lạ mà khối lượng chính là năng lượng chuyển động của chúng trong các chiều dư.
3 / Chuyển hóa thứ nguyên (dimensional transmutation)
Chuyển hóa thứ nguyên là cơ chế chuyển một
hằng số tương tác không thứ nguyên thành một hằng số tương tác có thứ nguyên.
Có hai cơ chế tạo khối lượng cho hạt : 1/cơ chế Higgs (BEH
–Brout/Englert/Higgs) và 2/ cơ chế Coleman-Weinberg.
Trong cơ chế thứ hai các hiệu chính bức xạ (radiative corrections) tạo nên
khối lượng. Xét điện động lực học của một hạt vô hướng không khối lượng (thay vào
chỗ electron). Ta có Lagrangian
Thường thì chúng ta tính khối
lượng một hạt từ khối lượng các hạt khác, ví dụ ta tính khối lượng của các hạt
trong SM qua khối lượng hạt Higgs. Gần đây nhiều nhà vật lý tại seminar do
William Bardeen ( Fermilab) tổ chức gợi ý rằng khối lượng hạt Higgs có thể tính
được nhờ cơ chế chuyển hóa thứ nguyên.
Trong phương pháp này người ta chú ý đến tương tác với những hạt ảo (như trong
quá trình tính các hiệu chỉnh bức xạ),việc nghiên cứu các tính chất của hạt
Higgs lúc này có thể sẽ trở thành trung tâm của một hệ hình (paradigm) mới
trong vật lý.
Nếu LHC trong tương lai tìm ra được SUSY thì nỗi thất vọng hiện nay của các
nhà vật lý sẽ được thay thế bằng một niềm phấn khích lớn.
Tài liệu tham khảo
[1] Supersymmetry: Unveiling
the Ultimate Laws of Nature. Gordon Kane.
Basic Books, 2001.
[2] Supersymmetry at
CERN:
http://home.web.cern.ch/about/physics/supersymmetry
[3] Is Nature Supersymmetric?
Howard E. Haber and Gordon L. Kane; June 1986.
[4] The Dawn of Physics
beyond the Standard Model. Gordon Kane; June 2003.
[5] Out of the Darkness. Georgi
Dvali; February 2004.
[6] Does the Multiverse Really Exist? George F.
R. Ellis; August 2011
Nhận xét
Đăng nhận xét