Khối lượng lúc khởi nguyên của vũ trụ
Vụ nổ Big Bang xảy ra, cũng là thời điểm bắt đầu về câu chuyện khối lượng trong vũ trụ. Trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ đó, gần như tất cả các hạt đều không có khối lượng và di chuyển với vận tốc ánh sáng trong một bát “súp” hỗn độn rất nóng. Tại một số thời điểm trong khởi nguyên này, các trường “Higgs” xuất hiện, giống như cho thêm “gia vị” và bát súp, và khi gia vị ngấm đều chúng đã đem lại khối lượng cho tất cả các hạt trong vũ trụ.
Các trường Higgs đã làm thay đổi môi trường xung quanh các hạt và khiến chúng thay đổi cách tương tác với nhau. Nói một cách ẩn dụ, bằng việc thêm thật nhiều đường vào bát súp sẽ khiến cho món súp của chúng ta đặc sệt hơn và làm mọi thứ bên trong đó chuyển động chậm hơn.
Một hình dung khác dễ hiểu hơn là quan sát một bữa tiệc. Những khách mời VIP sẽ bị nhiều người vây quanh trò chuyện và làm họ gần như không di chuyển. Trong khi những người bồi bàn sẽ dễ dàng di chuyển và gần như không thu hút sự chú ý của mọi người xung quanh. Trong trường hợp này, những người bồi bàn sẽ có “khối lượng” nhẹ hơn những vị khách VIP.
Nhưng tại sao trường Higgs lại xuất hiện? và cơ chế nào khiến cho những hạt tương tác nhiều hơn với trường Higgs so với những hạt khác? Câu trả lời rất ngắn gọn: Chúng ta vẫn chưa biết.
Đó là lý do tại sao nhà vật lý Matt Strassler thuộc Khoa Vật lý trường Harvard nói: “Đây là một phần lý do tại sao việc tìm kiếm các trường Higgs chỉ là khởi đầu, bởi vì chúng tôi có một tấn các câu hỏi sau đó.”
Khối lượng thực sự?
Các trường Higgs mang đến khối lượng cho các hạt cơ bản như các điện tử, các hạt quark, … những hạt tạo lên vật chất mà không thể chia nhỏ hơn. Tuy nhiên khối lượng này chỉ chiếm một phần nhỏ của khối lượng trong vũ trụ, vậy phần còn lại đến từ đâu?
Phần còn lại đến từ khối lượng của proton và neutron. Khối lượng của những hạt này đến từ các lực hạt nhân mạnh bên trong chúng. Cả hai proton và neutron đều không phải là những hạt cơ bản, chúng được tạo thành từ ba hạt quark di chuyển với một tốc độ chóng mặt. Các hạt quark này ràng buộc với nhau bởi một lượng rất mạnh với một năng lượng cực lớn (lớn hơn những vụ nổ bom hạt nhân thông thường). Như chúng ta biết mối liên hệ giữa năng lượng và khối lượng qua công thức nổi tiêng của Einstein E=mc^2. Do đó một năng lượng lớn đã đem đến một khối lượng lớn cho proton và neutron và đây cũng là phần khối lượng chính của vật chất.
Khối lượng giữ cho vũ trụ tồn tại?
Cả hai hạt proton và neutron đều tạo lên từ ba hạt quark. Tuy nhiên hạt proton được tạo lên từ hai quark lên (u) và một quark xuống (d), trong khi ngược lại hạt neutron được tạo lên từ hai quark xuống (d) và một quark lên (u). Các lực tương tác mạnh trong ba quark này làm cho cả hai proton và neutron có khối lượng gần như giống hệt nhau. Tuy nhiên, hạt neutron là nặng hơn proton một chút bởi vì quark d tương tác với trường Higgs mạnh hơn quark u. Sự khác biệt này ra rất quan trọng đến sự tồn tại của vũ trũ. Các quark có khối lượng lớn sẽ phân rã thành các quark có khối lượng nhỏ hơn. Do đó quá trình phân rã của neutron thành proton đã thúc đẩy các quá trình sinh hóa trong vũ trũ. Nếu ngược lại, các proton bị phân rã thành neutron, vũ trụ như chúng ta biết sẽ không tồn tại. Tại sao? vì các hạt neutron là các hạt trung hòa về điện tích, điều này sẽ khiến cho hạt nhân và các điện tử tách rời khỏi nhau bởi sự thiếu vắng các tương tác tĩnh điện. Hậu quả là cơ thể chúng ta sẽ nhanh chóng phân rã thành các điện tử và neutron và bay vô định trong vũ trụ.
Những gì về khối lượng của neutrino?
Những gì chúng ta nói ở trên cho thấy tất các các hạt cơ bản (những hạt không thể chia nhỏ hơn trong vũ trụ) đều có khối lượng bởi tương tác với trường Higgs. Tuy nhiên có thể có ngoại lệ với hạt neutrion?. Các hạt neutrino là hạt được dự kiến cũng có khối lượng, tuy nhiên khối lượng của chúng vô cùng nhỏ (nhỏ hơn 1 triệu lần so với khối lượng của điện tử), chúng trung hòa về điện và hiếm khi tương tác với vật chất.
Chúng ta hãy quay lại lịch sử một chút. Hiện tượng phân rã beta từng được coi là một bí ẩn khoa học những năm 1930 vì định luật bảo toàn năng lượng bị vi phạm. Khi Bohr cho rằng đây là trường hợp đặc biệt, thì Pauli lại nhìn nhận theo một hướng khác. Ông cho rằng năng lượng bị mất bởi một hạt trung hoà về điện nào đó mà chúng ta chưa biết gọi là hạt neutrino và trung hòa về điện. Ngày nay chúng ta đã có thể khẳng định được sự tồn tại của neutrino, tuy nhiên nó cũng dẫn đến nhiều vấn đề mà chúng ta vẫn chưa giải thích được. Tại sao các hạt neutrino lại có khối lượng quá nhẹ? Có thể khối lượng của neutrion đến từ một trường vật lý nào đó mà không phải trường Higgs. Hoặc cơ chế khối lượng của neutrion có thể đến từ vật chất tối, nơi mà các nhà vật lý cho rằng tồn tại các hạt vật chất khác mà chúng ta chưa từng biết đến. Những câu hỏi, những giả thiết là cách làm cho vật lý đi vào trí tưởng tượng và những hình dung của chúng ta về vũ trụ.
Hung's Blog 