NHẬT KÝ LƯỢNG TỬ - CUỘC THÁM HIỂM THẾ GIỚI VẬT LÝ HẠT - Bài 13 . Một gợi ý về khối lượng từ hạt Higgs .

NHẬT KÝ LƯỢNG TỬ - CUỘC THÁM HIỂM THẾ GIỚI VẬT LÝ HẠT - Bài 13 . Một gợi ý về khối lượng từ hạt Higgs .

Lời nói đầu .


Vật lý hạt nhân là một nhánh quan trọng trong khoa học vật lý , nó chỉ ra những quan hệ tương tác giữa các hạt , phản hạt cùng những cấu thành khác trong thế giới hạt vi mô . Nhưng để hiểu được các ý nghĩa của chúng bằng việc sử dụng các công thức , ký hiệu toán học và các kiến thức vật lý cao cấp khác là cả một sự khó khăn với quảng đại quần chúng . Loạt bài sau đây gồm 20 đề tài được các tác giả là những nhà vật lý hạt hiện đang tham gia nghiên cứu về lĩnh vực này thể hiện qua những bài đăng rất thú vị . Xin trân trọng giới thiệu đến bạn đọc .




Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 18/08/2013.


Đường dẫn :

Bài 1 . Sơ đồ Feynman .

Bài 2 . Nhiều sơ đồ FEYNMAN hơn nữa .

Bài 3 . QED + μ  giới thiệu về muon . 

Bài 4 . Boson Z và sự cộng hưởng .

Bài 5 . Các chàng ngự lâm Neutrinos .

Bài 6 . Tí hon boson W - làm rối tung mọi thứ .

Bài 7 . Các chú lính quarks - Một cuộc gặp gỡ thú vị .

Bài 8 . Thế giới của keo .

Bài 9 . QCD và sự giam hãm .

Bài 10 . Những hiểu biết được biết đến về Mô hình Chuẩn .

Bài 11 . Khi sơ đồ Feynman thất bại .

Bài 12 . Bài giới thiệu độc đáo về boson Higgs .

Bài 13 . Một gợi ý về khối lượng từ hạt Higgs .




Bài 13 . Một gợi ý về khối lượng từ hạt Higgs .



13.1  Thêm vài ghi chú cho boson Higgs .


Một vài tuần trước, chúng ta đã gặp các boson Higgs và thảo luận quy tắc Feynman của nó. Rất tiếc đã quên đưa lên hình ảnh sang trọng của chú bé Higgs từ The Particle Zoo  trong bài viết vừa qua , nhưng độc giả của US LHC sẽ biết rằng Burton có hình ảnh tốt nhất của [chú bé nhồi bông] Higgs (Có vẻ như là hạt Higgs đã thay đổi màu sắc khi nó xuất hiện trong vườn hạt The Particle Zoo đấy các bạn ) .
Đây là chú Higgs được nhồi bông một cách rất duyên dáng nhưng có vẻ hơi bí ẩn một chút .

Chúng ta đã biết rằng hạt Higgs là một loại hạt khác với  các hạt lực boson gauge thông thường  hoặc các hạt vật chất fermion : đó là một hạt vô hướng  - đối với những người muốn có tiếng là sành điệu -  thì có nghĩa là nó không mang spin nội tại cơ lượng tử . Nói theo cách thực hành cho các bài viết này , có nghĩa là chúng ta đã kết thúc việc vẽ hạt Higgs như là một đường nét đứt. Tuy nhiên, đối với hầu hết các phần đã trình bày các quy tắc Feynman mà chúng ta biết trong các bài trước là khá nhàm chán ...

Các bạn hãy nhớ lại bức tranh tổng thể về cách vẽ sơ đồ Feynman:

1. Hạt khác nhau được biểu diễn bởi các đường. Bây giờ chúng ta có ba loại: các fermion (đường liền với mũi tên), boson gauge (đường sóng ), và vô hướng (đường đứt nét).
2. Khi các hạt tương tác, các đường đó cắt nhau tại các nút . "Các quy luật" ở trên cho chúng ta biết những loại nút gì là được phép.
3. Nếu chúng ta muốn tìm hiểu xem một quá trình là khả dĩ, chúng ta phải quyết định liệu chúng ta có thể sử dụng các quy tắc để chuyển đổi các tập hợp hạt ban đầu thành tập hợp hạt cuối cùng hay không .
Nếu bạn đã làm theo bài viết trước đây của chúng ta về sơ đồ Feynman, thì bạn đã có thể bắt đầu cảm thấy nhàm chán quá trình này. Chúng ta có thể thấy cách thức các electron có thể biến thành muon, hoặc thậm chí các phương thức mà boson Higgs có thể được sản xuất tại LHC ;  nhưng bây giờ chúng ta đã đến được với boson Higgs -một trong những mục tiêu chính của LHC- nhưng sự hấp dẫn còn ở đâu ? Điều gì làm cho nó thành đặc biệt, và làm thế nào để chúng ta nhìn thấy nó theo các quy tắc Feynman ?

Sơ đồ Hạt và các tương tác trong Mô hình Chuẩn .
Nguồn : http://profmattstrassler.files.wordpress.com/2011/08/sm_interactions2.png

13.2 Chú bé Higgs RẤT LÀ ĐẶC BIỆT . 

Nó chỉ ra rằng hạt Higgs có một thủ thuật gì đó trong bản chất của nó mà các hạt khác trong Mô hình Chuẩn không có . Trong ngôn ngữ của sơ đồ Feynman, một dòng Higgs có thể chấm dứt như sau :

"X" có nghĩa là đường đứt nét chỉ kết thúc ; Và như thế là không còn có các hạt khác đi ra nữa . RẤT ĐẶC BIỆT thậm chí là lập dị nữa !  Chúng ta biết rằng các hạt thông thường không thể làm điều này ... chúng ta cũng không thấy có chuyện hạt vật chất biến mất vào chỗ không có gì , cũng không thấy hạt lực biến mất đi mà không bị hấp thụ bởi các hạt khác .
Chúng ta có thể phải suy nghĩ về những gì sẽ xảy ra khi vật chất và phản vật chất tiêu diệt lẫn nhau , nhưng ở đó chúng ta thường giải phóng năng lượng dưới dạng hạt lực (thường là photon ) .  Các quy tắc trên cho chúng ta biết một đường Higgs đơn lập - rất hạnh phúc làm việc riêng của mình là - có thể được đột nhiên bị cắt đứt . Nó không nên được coi là một trạng thái ban đầu hoặc hạt trạng thái cuối cùng . Một cách đơn thuần nó chỉ là một đường trung gian xảy ra để dừng lại mà thôi ?!

Bạn sẽ thấy rằng : Được thôi ! Chúng ta sẽ lại tiếp tục thảo luận về ý nghĩa vật lý của điều này trong những bài viết sắp tới. Thỉnh thoảng khi người ta cố gắng giải thích ý nghĩa vật lý họ có thể bị cuốn vào suy nghĩ của riêng mình. Thay vào đó , chúng ta hãy sử dụng sơ đồ Feynman như một cái nạng chống để xem hiệu quả của các quy tắc Feynman quái lạ này . Nhớ lại rằng trong bài trước chúng ta đã giới thiệu một sự tự - tương- tác- bốn- điểm- Higgs  ( " bốn điểm " có nghĩa là bốn dòng Higgs giao nhau ) như sau :

Nếu chúng ta chọn lấy một trong những đường đứt nét và chấm dứt nó , thì chúng ta sẽ kết thúc với một sự tự- tương- tác- ba- điểm- Higgs như thế này  :

Trong thực tế, vì đường có gạch chéo không tham gia bất cứ điều gì, chúng ta cũng có thể nói rằng có một quy tắc Feynman mới có dạng sau

Bây giờ  là một điều gì đó khá thú vị. Chúng ta có thể quên đi quy tắc "đường Higgs bị gạch chéo" và chỉ mặc nhiên công nhận một đỉnh ba điểm. Trong thực tế, đây thường  là cách người ta viết ra các quy tắc Feynman (và cũng là lý do tại sao phương pháp của chúng ta đã được "mang một phong cách riêng"); Tuy nhiên, đối với các mục đích đặc biệt của chúng ta , điều quan trọng phải nhấn mạnh rằng những gì mọi người thực sự hiểu là có được sự mặc định ngầm là "đường Higgs bị gạch chéo" . Tầm quan trọng này liên quan chặt chẽ đến những gì làm cho hạt Higgs trở nên rất đặc biệt.  Chúng ta có thể chơi trò chơi này một lần nữa và lại đánh chéo X cho 2 đường nét đứt và điều này sẽ dẫn chúng ta đến một sự tương tác hai điểm Higgs .

Một lần nữa, chúng ta cũng có thể chặt bỏ hai đường chấm dứt đó và nói rằng có một quy tắc  Feynman 'mới'  cho hai - điểm Higgs . Nhưng điều này thực sự chỉ là một đường , và chúng ta đã biết rằng có thể vẽ các đường như một phần của quy tắc Feynman . Trong thực tế, chúng ta biết rằng các đường thẳng chỉ có nghĩa là một hạt di chuyển từ nơi này đến nơi khác. Vì vậy, có vẻ như sự tương tác với hai đường gạch chéo này không cho chúng ta thêm bất cứ thông tin gì cả .

Ngoại trừ ra ... có nhiều vấn đề với nó, và đây là nơi mà chúng ta sẽ bắt đầu để có được một chút gợi ý của sự kỳ diệu kết hợp với hạt Higgs. Chúng ta hãy thử phát biểu điều sau đây ...  mà không cần sự thúc đẩy nhé các bạn  :

* Khẳng định  : các quy tắc Feynman trên là một đóng góp cho khối lượng hạt Higgs .
Tại thời điểm này , có lẽ bạn nên nói điều gì đó hoài nghi đại loại như , " Cái gììì ì ì  vậyyy y y? " Cho đến nay, chúng ta đã nói rằng các hạt có một khối lượng cụ thể.  Con số khối lượng nhiều không bao giờ thực sự là quan trọng , một số hạt nhẹ hơn so với những hạt khác , một số hạt có khối lượng bằng không .
 Khối lượng chỉ là một tính chất mà mỗi hạt dường như phải có .  Tuy nhiên , bây giờ ,chúng ta đã vừa thực hiện một tuyên bố khá sâu , khiến chúng ta đứng lên đỉnh của một tảng băng trôi khá lớn : chúng ta bây giờ có liên quan đến một quy tắc Feynman đặc biệt đối với khối lượng của hạt , mà chúng ta đã giả định trước đây chỉ là một con số nào đó , điều mà chúng ta đã phải chỉ định trong chính lý thuyết của chúng ta . Phức tạp quá phải không ?

Chúng ta sẽ phải chờ đợi các bài viết tiếp theo để thực sự đi vào lý do tại sao một mối quan hệ như vậy nên tồn tại và thực sự những gì chúng ta thậm chí muốn giải nghĩa là khối lượng , nhưng điều này nên ít nhất bắt đầu tin vào ý tưởng rằng các boson Higgs có thể cung cấp khối lượng cho các hạt  (*)
-*- nhân đây các bạn hãy thử tưởng tượng xem nếu không có trường Higgs thì  mọi chuyện sẽ xẩy ra như thế nào . Thảm họa nào sẽ đến cho những khái niệm , những định luật trong vật lý hạt ?

Sơ đồ mô tả hiện tượng không có trường Higgs
Nguồn : http://profmattstrassler.files.wordpress.com/2011/08/ifhiggswerezero2.png

Tại thời điểm này chúng ta vẫn cảm thấy rất bí ẩn và có phần không hài lòng , không sao ! Chúng ta rồi sẽ đạt được điều đó . Bây giờ, chúng ta rất muốn cảm thấy thoải mái với chuỗi ý tưởng  sau đây :

1. Boson Higgs có một quy tắc Feynman đặc biệt khi có một đường có thể chấm dứt .
2. Điều này có nghĩa chúng ta có thể thực hiện bất kỳ sự tương tác nào và loại bỏ một cách hiệu quả các đường Higgs bằng cách chấm dứt nó sau đỉnh ngay lập tức  .
3. Đặc biệt , điều này cũng có nghĩa là chúng ta tạo ra một đỉnh chỉ với hai đường Higgs .
4. Đỉnh với hai đường Higgs này  nên - vì những lý do bí ẩn hiện nay - được đồng nhất với khối lượng .



13.3  Việc trao khối lượng cho các hạt khác .

Bây giờ chúng ta xem  trò chơi này hoạt động như thế nào , chúng ta phải ngay lập tức quay trở lại với hai quy tắc Feynman đầu tiên đã viết trước đây :


Sơ đồ này mô tả sự tương tác của các hạt Higgs với fermion và boson gauge. Đây là những gì bạn nên suy nghĩ:

Ừm ... Tôi biết rằng đường boson Higgs có thể chấm dứt ; Tôi chỉ có thể đánh chéo các điểm đầu mút của một đường nét đứt - mô tả hạt Higg . Và tôi chỉ thấy rằng khi tôi làm điều này cho đỉnh  tự tương tác của hạt Higgs đủ thời gian, tôi kết thúc với một sự tương tác hai điểm mà người ta nói với tôi là một khối lượng vì một số lý do quái lạ gì đó .

Bây giờ thì những hai đỉnh đại diện cho sự tương tác hạt Higgs với hai hạt vật chất hoặc hai hạt lực. Không Liệu những sự chấm dứt đường Higgs cũng cung cấp khối lượng cho các hạt này không ?

Câu trả lời là có!  Và chúng ta sẽ kết thúc với đỉnh như thế này:

Vì lý do thẩm mỹ ( và thực sự chỉ vì lý do thẩm mỹ ), chúng ta có thể thu nhỏ sơ đồ này như sau :

Thậm chí có thể thả dấu "X" nếu bạn muốn được nhiều thứ hơn so với phiên bản thuần túy  ... nhưng để cho rõ ràng , ta sẽ để nó ở đây để phân biệt điều này từ một đường bình thường.  Thực vậy , các sơ đồ đại diện cho sự đóng góp khối lượng cho các fermion và boson gauge . Một lần nữa ,  điều này có vẻ như một bí ẩn thực tế - sau này chúng ta sẽ  giải thích tại sao sự diễn giải này là chính xác . Còn bây giờ chúng ta sẽ cần phải đầu tiên hiểu được những gì thực sự là " khối lượng" ... và điều đó sẽ đòi hỏi một số quan tâm .

13.4  Cú va chạm với hạt Higgs .

Trong thực tế, thay vì nói rằng các hạt " bắt đầu " với khối lượng bất kỳ , người ta có thể phát biểu một cách hệ thống , toàn bộ chương trình sơ đồ Feynman của chúng ta về các hạt hoàn toàn không có khối lượng . Trong bức ảnh như vậy , các hạt giống như quark đỉnh hay boson Z trải qua rất nhiều sự  tương tác "khối lượng" hai-điểm đã nói trên , và do đó được quan sát có khối lượng lớn hơn. Theo kinh nghiệm , các hạt nặng đổ vào chung khoang và có rất nhiều những tương tác hai- điểm biểu diễn như dưới đây

Để so sánh, một hạt tựa như các electron sẽ ít có những tương tác này. Chuyển động của chúng (một lần nữa, theo kinh nghiệm) trông như sau :

Cũng nên nhớ rằng mỗi một trong các dấu X thực ra là một dòng Higgs bị chấm dứt. Sử dụng một số cách nói  -"theo kiểu vật lý " - rất ưa thích hiện nay - sẽ xuất hiện trong một bài sau, chúng ta nói rằng hạt Higgs có một "giá trị kỳ vọng chân không" và các hạt này va chạm với nó.  Những hình ảnh trên chỉ là "hoạt họa" của sơ đồ Feynman, nhưng các bạn có thể thấy điều này dường như để truyền đạt một cảm giác "quán tính" gì đó . Đúng vậy ! hạt lớn hơn (như quark đỉnh chẳng hạn) càng khó khăn hơn để đẩy ra xung quanh bởi vì chúng tiếp tục va chạm với hạt Higgs . Còn các hạt nhẹ , giống như điện tử, không tương tác quá nhiều với hạt Higgs và do đó có thể được đẩy đi một cách dễ dàng hơn.

[ Clip đồ họa mô tả thực nghiệm tìm kiếm hạt Higg ]

Cũng theo ý nghĩa này, chúng ta có thể nghĩ về tất cả các hạt như là không có khối lượng, nhưng tương tác của chúng với hạt Higgs tạo ra một sự tương tác hai- điểm là điều tạo ra khối lượng một cách hiệu quả . Hạt nào tương tác mạnh mẽ hơn với hạt Higgs có khối lượng nhiều hơn, trong khi các hạt tương tác yếu với hạt Higgs sẽ có ít khối lượng .

 Trong thực tế, một khi chúng ta giả định điều này, thì chúng ta cũng có thể thả tất cả các dấu X ngớ ngẩn trên những đường này - và thế là chúng ta đang rời xa các quy tắc Feynman thông thường (không có chấm dứt dòng Higgs) đã được trình bày trước đây .

(Một chú thích kỹ thuật nhỏ:. Hạt Higgs không thực sự chịu trách nhiệm cho tất cả các khối lượng . Ví dụ, các trạng thái ràng buộc có được khối lượng từ năng lượng liên kết của chúng .Chỉ cần nhìn vào khối lượng của proton và so sánh nó với khối lượng của các quark thành phần của nó là sẽ hiểu . Các proton.. có khối lượng khoảng 1 GeV, trong khi  quark lên / xuống chỉ một phần nghìn điều này. Hầu hết các khối lượng proton xuất phát từ năng lượng liên kết của QCD).

13.5  Một số phát biểu trước khi kết thúc .

Nói vui một chút , trước khi cho phép bạn suy nghĩ về những điều này nhiều hơn một chút , sẽ có một vài nhận xét cuối cùng để " kích thích sự ham muốn của bạn "  vào cuộc thảo luận tiếp theo của chúng ta .

- Photon , như chúng ta biết , không có khối lượng . Do đó chúng ta hy vọng rằng hạt Higgs không tương tác với các photon , hoặc nếu không chúng ta có thể " chấm dứt " các đường Higgs trong các đỉnh tương tác và tạo ra một khối lượng cho photon.

Hình dạng một photon đơn .
Nguồn : http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/aug/10/photon-shape-could-be-used-to-encode-quantum-information

- Mặt khác , hạt Higgs cung cấp khối lượng cho các boson W và Z  Điều này có nghĩa rằng phải cần hao phí năng lượng để sản xuất những hạt này  và do đó sự yếu chỉ thực sự có hiệu quả trên một khoảng cách ngắn mà thôi . So sánh điều này với các photon , không có khối lượng , và do đó có thể tạo ra một lực tầm xa. ( Gluon cũng không có khối lượng , nhưng chúng có một lực tầm ngắn do sự giam hãm của chúng . ) Do đó, hạt Higgs phải chịu trách nhiệm về "điểm yếu" của lực yếu .

Bảng tóm tắt các loại tương tác .
Nguồn : http://www.particleadventure.org/inter_summary.html

Theo FLIP TANEDO | USLHC | USA

+++++++++++++++++++++++++++

Nguồn :
1. http://www.quantumdiaries.org/2011/05/05/a-diagrammatic-hint-of-masses-from-the-higgs/
2. http://www.quantumdiaries.org/2011/03/25/an-idiosyncratic-introduction-to-the-higgs/
3. http://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/the-known-apparently-elementary-particles/the-known-particles-if-the-higgs-field-were-zero/



Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .

Ngày --/--/2014.

 -------------------------------------------------------------------------------------------

 Khoa học là một điều tuyệt vời khi không phải dùng nó để kiếm sống. 

 Albert Einstein .

NHẬT KÝ LƯỢNG TỬ - CUỘC THÁM HIỂM THẾ GIỚI VẬT LÝ HẠT - Bài 12 . Bài giới thiệu độc đáo về boson Higgs .

NHẬT KÝ LƯỢNG TỬ - CUỘC THÁM HIỂM THẾ GIỚI VẬT LÝ HẠT - Bài 12 . Bài giới thiệu độc đáo về boson Higgs   .

Lời nói đầu .


Vật lý hạt nhân là một nhánh quan trọng trong khoa học vật lý , nó chỉ ra những quan hệ tương tác giữa các hạt , phản hạt cùng những cấu thành khác trong thế giới hạt vi mô . Nhưng để hiểu được các ý nghĩa của chúng bằng việc sử dụng các công thức , ký hiệu toán học và các kiến thức vật lý cao cấp khác là cả một sự khó khăn với quảng đại quần chúng . Loạt bài sau đây gồm 20 đề tài được các tác giả là những nhà vật lý hạt hiện đang tham gia nghiên cứu về lĩnh vực này thể hiện qua những bài đăng rất thú vị . Xin trân trọng giới thiệu đến bạn đọc .




Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 18/08/2013.


Đường dẫn :

Bài 1 . Sơ đồ Feynman .

Bài 2 . Nhiều sơ đồ FEYNMAN hơn nữa .

Bài 3 . QED + μ  giới thiệu về muon . 

Bài 4 . Boson Z và sự cộng hưởng .

Bài 5 . Các chàng ngự lâm Neutrinos .

Bài 6 . Tí hon boson W - làm rối tung mọi thứ .

Bài 7 . Các chú lính quarks - Một cuộc gặp gỡ thú vị .

Bài 8 . Thế giới của keo .

Bài 9 . QCD và sự giam hãm .

Bài 10 . Những hiểu biết được biết đến về Mô hình Chuẩn .

Bài 11 . Khi sơ đồ Feynman thất bại .

Bài 12 . Bài giới thiệu độc đáo về boson Higgs .



Bài 12 . Bài giới thiệu độc đáo về boson Higgs .



12.1  Một cách trình bày khác về hạt Higgs .

Đã có một số nỗ lực rất thông minh của các nhà khoa học nhằm giải thích hạt Higgs cho chúng ta bằng cách sử dụng phép tương đồng , một trong những mục khá thú vị là truyện tranh CERN dựa trên giải thích của David Miller như dưới đây :

Để hiểu được cơ chế Higgs, bạn hãy tưởng tượng rằng một căn phòng đầy các nhà vật lý đang trò chuyện lặng lẽ cũng giống như không gian tràn đầy trường Higgs ...

.. Bỗng một nhà khoa học nổi tiếng đi vào, tạo ra một sự xáo trộn khi ông di chuyển qua căn phòng và thu hút một nhóm người hâm mộ với mỗi bước đi ...

.. Điều này làm gia tăng sức đề kháng của ông để di chuyển , nói cách khác, ông cần có được khối lượng, giống như một hạt di chuyển qua các trường Higgs ...

... Nếu có một tin đồn đi vào phòng, ...

... Ngay lập tức nó tạo ra một nhóm cùng loại , nhưng lần này là trong số các nhà khoa học. Một cách tương tự như vậy , các nhóm đó chính là những hạt Higgs.
( nguồn : http://www.exploratorium.edu/origins/cern/ideas/cartoon.html )

Tuy vậy, việc giải thích khoa học -bằng- những sự tương đồng cũng là một sợi dây xiếc khá tinh tế để bạn có thể vượt qua đấy . Thay vào đó , chúng ta sẽ có cách tiếp cận khác và nhảy thẳng vào vật lý không chần chừ  . Chúng ta có thể làm điều này vì đã đặt ra mục tiêu từ đầu công việc : đó là sử dụng sơ đồ Feynman để mô tả tương tác hạt .
Trong những bài viết tiếp theo , chúng ta sẽ tiến hành như đã làm với các hạt khác của Mô hình Chuẩn và tìm hiểu làm thế nào để vẽ sơ đồ liên quan đến hạt Higgs . Chúng ta sẽ thấy những gì làm cho hạt Higgs thành đặc biệt từ quan điểm sơ đồ , và sau đó dần dần giải mã những ý tưởng sâu sắc hơn liên kết với nó .  Cách tiếp cận này có một phong cách riêng , nhưng thiết nghĩ rằng đó là gần gũi hơn so với cách nhà vật lí hạt thực sự nghĩ về một số ý tưởng lớn trong lĩnh vực này .
Trong bài đầu tiên này, chúng ta sẽ bắt đầu một cách rất ngây thơ. Chúng ta sẽ trình bày quy tắc Feynman đơn giản cho hạt Higgs và sau đó sử dụng chúng để thảo luận về cách mà chúng ta hy vọng để sản xuất ra hạt Higgs tại LHC . Trong bài viết tiếp theo chúng ta sẽ tinh chỉnh quy tắc Feynman để tìm hiểu thêm về bản chất của khối lượng và hiện tượng được gọi là sự phá tính đối xứng điện yếu .


12.2 Quy tắc Feynman (giản thể)

Trước hết, một đường nét đứt biểu hiện sự lan truyền của một boson Higgs như sau đây :

Bạn có thể đã đoán rằng có điều gì đó khác nhau xảy ra vì chúng ta đã không nhìn thấy loại đường như vậy trước đây. Ồ ! bạn sẽ nói rằng : Ban đầu, chúng ta đã vẽ các hạt vật chất ( fermion ) như đường liền với mũi tên và hạt lực ( boson gauge ) như dòng sóng (wiggly) cơ mà ? . Hạt Higgs thực ra chính là một boson , nhưng nó khác với các boson gauge mà chúng ta đã gặp : các photon , W , Z, và gluon . Để hiểu rõ sự khác biệt này , chúng ta hãy đi vào chiều sâu hơn một chút nhé :
- Boson gauge , cái trung hòa được các lực " cơ bản " , mang xung lượng góc , hay còn gọi là spin . Boson gauge thực hiện một đơn vị spin (1) , điều này có nghĩa là nếu bạn xoay một photon 360 độ, nó trở về cùng trạng thái cơ học lượng tử. ( Điều này cũng dễ hiểu thôi !)
- Fermion , hạt vật chất , cũng mang xung lượng góc . Tuy nhiên , không giống như các boson gauge , chúng mang theo chỉ có một nửa đơn vị spin  (1/2) , nghĩa là  : bạn phải xoay electron 720 độ để có được cùng trạng thái lượng tử .  ( Thật kỳ quặc !)
- Boson Higgs là một boson vô hướng , có nghĩa là nó không có spin. Bạn có thể xoay nó bằng bất kỳ góc nào và nó sẽ được trở về cùng một trạng thái cơ lượng tử . ( Quái dị thật ! )
Tất cả các hạt vô hướng đều là boson , nhưng chúng không trung hòa các lực  " cơ bản " theo cách của boson gauge  .
Khái niệm này của spin hoàn toàn theo nghĩa cơ học lượng tử , và đó là một định lý mà bất kỳ hạt với spin  toàn bộ (1) là một boson ( "hạt lực" ) và bất kỳ hạt có spin một nửa (1/2) là một fermion ( " hạt vật chất " ) . Tuy không nói đến nhiều về những loại 'lực' hạt nào mà hạt Higgs có thể trung hòa - nhưng nó chỉ ra rằng có nhiều điều thú vị lại sắp sửa diễn ra.

Bây giờ chúng ta hãy thử hỏi làm thế nào hạt Higgs tương tác với các hạt khác. Có hai quy tắc Feynman mà chúng ta có thể viết ra ngay lập tức :

Ở đây chúng ta thấy rằng hạt Higgs có thể tương tác với hoặc là một cặp fermion hoặc một cặp boson gauge. Điều này có nghĩa là , ví dụ, một hạt Higgs có thể phân rã thành một cặp điện tử / positron (hoặc, tương tự như , một cặp quark / phản- quark) .  Với lý do sẽ trở nên rõ ràng sau này , chúng ta hãy nói rằng hạt Higgs có thể tương tác với bất kỳ hạt Mô hình Chuẩn nào với khối lượng  . Như vậy nó không tương tác với các photon hoặc gluon, và vì lợi ích của luận cứ sau này , chúng ta có thể bỏ qua sự tương tác giữa nó với các neutrino.
Sự tương tác với các fermion là một cái gì đó mà chúng ta đang sử dụng để : nó trông giống như tất cả các fermion đỉnh khác mà chúng ta đã ghi lại trước kia : một fermion đi vào , một fermion đi ra, và một số loại boson. Điều này phản ánh việc bảo toàn số các fermion. Chúng ta sẽ thấy sau này vì hạt Higgs là một vô hướng , nên thực sự là có một cái gì đó đang lén lút xảy ra ở đây .
Cuối cùng, hạt Higgs cũng tương tác với chính nó thông qua sự tương tác bốn- Higgs : (Điều này cũng tương tự như đỉnh bốn-gluon của QCD ).

Thực ra , có rất nhiều sự tinh tế mà chúng ta đã không được lưu ý và cũng có thêm một vài quy tắc Feynman nữa , nhưng không sao : chúng ta sẽ nhận được những điều đó trong bài viết tiếp theo khi chúng ta sẽ thấy những gì xảy ra với hạt Higgs đạt được một "giá trị kỳ vọng chân không". Xin vui lòng, đừng có lời bình nào về cách tôi hoàn toàn bỏ qua chúng nhé các bạn ... chúng ta sẽ nhận được tất cả dần dần , thực thế đấy !

12.3  Sản xuất hạt Higgs .

Mô phỏng của việc sản xuất một boson Higgs trong các máy dò CMS.
nguồn : https://www.kit.edu/img/Forschen/Astroteilchen_04.jpg

Như vậy đến nay tất cả chúng ta đã làm được việc đặt nền móng để chuẩn bị cho một cuộc thảo luận về những điều gọn gàng đã làm cho hạt Higgs trở thành đặc biệt. Tuy nhiên , thậm chí trước khi đi vào những thứ đó , chúng ta có thể sử dụng những gì đã học được để nói về cách chúng ta hy vọng sản xuất ra hạt Higgs tại LHC . Đây là một bài tập vẽ sơ đồ Feynman . ( Xem lại các bài viết cũ sơ đồ Feynman  nếu cần thiết! )

Vấn đề tổng quát là : tại LHC , các nhà vật lý hạt đang đập các proton vào nhau . Mỗi proton là sự tạo thành của một bó các quark , antiquark , và gluon . Điều này rất quan trọng : các proton không chỉ là ba quark ! Như chúng ta đã đề cập trước , proton là đối tượng không nhiễu khủng khiếp nhất . Các quark ( phản quark ) ảo và các gluon đang được sản xuất và tái hấp thu ở khắp mọi nơi . Nó chỉ ra rằng các quá trình chính sản xuất boson Higgs từ va chạm proton xuất phát từ sự tương tác của các hạt ảo !

Một trong những " kênh sản xuất " chính tại LHC là sơ đồ phản ứng gluon hỗn hợp sau đây :

Đây là loại một sơ đồ khá buồn cười bởi vì có một vòng khép kín ở giữa. (Điều này làm cho nó có một hiệu ứng rất là lượng tử  !! ... và có phần phức tạp hơn khi thực sự cần tính toán ) .  Điều đang xảy ra là một gluon từ một proton và một gluon từ proton  khác tương tác nhau để tạo thành một hạt Higgs. Tuy nhiên, bởi vì các gluon không trực tiếp tương tác với các hạt Higgs, nên chúng phải thực hiện như vậy thông qua các hạt quark. Nó chỉ ra rằng quark đỉnh - là nặng nhất -có sự tương tác mạnh nhất với hạt Higgs, vì vậy các quark ảo ở đây là các đỉnh .

Một cách khác để thu được một hạt Higgs được liên kết sản xuất với một cặp đỉnh . Sơ đồ như sau:

Ở đây các gluon lại sản xuất một boson Higgs thông qua quark đỉnh . Tuy vậy , trong thời điểm này một quark đỉnh và một phản -quark đỉnh cũng được sản xuất cùng với các hạt Higgs. Bây giờ , cũng lạ thật , chúng ta có thể vẽ một sơ đồ tương tự mà không có các gluon:

Đây được gọi là vector hỗn hợp, bởi vì các boson W hoặc Z ảo tạo ra một hạt Higgs. Lưu ý rằng chúng ta cũng đồng thời có hai quark được sản xuất như vậy ... Cuối cùng ,vẫn có liên quan sản xuất hạt Higg với một W hoặc Z. Xem như bài tập về nhà, các bạn có thể điền nhãn cho các hạt giả định là boson gauge cuối cùng là W hoặc Z :

12.4   Xem quy trình sản xuất hạt Higgs bằng hình ảnh .

 Tiến sĩ vật lý Brian Cox giải thích sự nghiên cứu về vật lý hạt và việc tìm kiếm hạt Higgs boson chi tiết qua videoclip sau đây :

Việc xây dựng các máy dò ATLAS tại LHC. ATLAS là một trong những máy dò liên quan đến việc săn lùng hạt Higgs. Credit: Martial Trezzini/epa/Corbis . Nguồn : http://www.pbs.org/wgbh/nova/blogs/physics/2012/06/the-higgs-boson-explained/


Công việc chính xác được thực hiện trên thùng theo dõi bán dẫn của trung tâm thực nghiệm ATLAS, ngày 11 tháng 11 năm 2005. Tất cả các công việc trên các thành phần tinh tế này phải được thực hiện trong một căn phòng sạch sẽ để các tạp chất trong không khí, như bụi, không gây ô nhiễm máy phát hiện . Bộ phận theo dõi bán dẫn sẽ được gắn trong thùng gần trung tâm thực nghiệm ATLAS để phát hiện đường đi của các hạt sản xuất trong va chạm proton-proton. (Maximilien Brice / © 2012 CERN) # . Nguồn http://www.theatlantic.com/infocus/2012/07/the-fantastic-machine-that-found-the-higgs-boson/100333/


Nhà vật lý Peter Higgs, người được đặt tên cho boson Higgs , thăm trung tâm thực nghiệm ATLAS vào tháng Tư năm 2008. Higgs là một trong những người  ban đầu  đề xuất  cơ chế dự đoán một boson như vậy trong năm 1964. (Claudia Marcelloni / © 2012 CERN) # . Nguồn http://www.theatlantic.com/infocus/2012/07/the-fantastic-machine-that-found-the-higgs-boson/100333/

Một sự kiện đề cử điển hình bao gồm hai photon năng lượng cao có năng lượng (mô tả bởi các đường màu vàng đứt khúc và các tháp màu đỏ) được đo bằng nhiệt lượng kế điện từ tại CMS. Các đường màu vàng là các dấu vết đo được từ các hạt khác được sản xuất trong vụ va chạm.

Giới hạn trên về khối lượng của boson Higgs SM với độ tin cậy 95%   (phía dưới đường màu đỏ). Phân tích được dựa trên 4,7 fb-1 dữ liệu proton-proton do CMS  thu thập trong năm 2010 và 2011. Các dải tô sọc hiển thị các vùng khối lượng trước đó bị loại trừ bởi LEP, các Fermilab Tevatron, và bây giờ bởi CMS. Đường nét đứt và các dải băng màu xanh lá cây và màu vàng cho thấy độ nhạy cảm trung bình dự kiến ​​CMS tương ứng với số lượng thực tế của dữ liệu phân tích.

Giới hạn trên của hạt Higgs SM ở độ tin cậy 95% cho 4,7 fb-1 dữ liệu proton-proton do CMS thu thập trong năm 2010 và 2011, cho thấy khu vực khối lượng thấp hơn.

Nguồn : http://cms.web.cern.ch/news/cms-search-standard-model-higgs-boson-lhc-data-2010-and-2011

12.5 Những gì đọc được từ các đồ thị ?

Có nhiều cách khác sản xuất hạt Higgs ra từ một vụ va chạm proton-proton, nhưng đó là những quá trình ưu thế chi phối . Trong khi chúng ta biết rất nhiều về các thuộc tính của một Mô hình Chuẩn Higgs, chúng ta vẫn không biết về khối lượng của nó. Có thể chỉ ra rằng tỷ lệ tương đối của các quá trình này phụ thuộc vào khối lượng Higgs, như có thể thấy trong các đồ thị dưới đây (trích báo cáo "Tevatron-for-LHC"):

nguồn http://www.quantumdiaries.org/wp-content/uploads/2011/03/Higgsprod.png

Trong đồ thị trên đây trục hoành biểu diễn khối lượng Higgs giả thuyết, trong khi trục tung đo mặt cắt ngang của việc sản xuất hạt Higgs theo các quy trình có nhãn hiệu khác nhau. Đối với các mục đích của chúng ta, mặt cắt ngang về cơ bản là tốc độ mà các quá trình này xảy ra. (Về mặt thực nghiệm, chúng ta biết rằng một  hạt Higgs theo Mô hình chuẩn cần phải có một khối lượng thuộc khoảng 115 GeV và 200 Gev.) Chúng ta có thể thấy rằng gg → h là cơ chế sản xuất chiếm ưu thế trong suốt phạm vi khối lượng khả dĩ  hạt Higgs  -nhưng điều này mới chỉ là một nửa của câu chuyện.



Chúng ta không thực sự đo lường trực tiếp hạt Higgs trong máy phát hiện bởi vì nó phân rã thành các hạt Mô hình Chuẩn nhẹ hơn. Tỷ lệ cụ thể mà nó phân rã đến các trạng thái cuối cùng khác (" tỷ lệ phân nhánh ") được vẽ ở trên, hình ảnh trích từ  CDF . [ Dành cho các chuyên gia , xem : http://www-cdf.fnal.gov/physics/exotic/r2a/20050623.lmetbj_wh_tc/#Figure1 ]
Điều này có nghĩa chúng ta phải nói với các máy dò tìm kiếm các sản phẩm phân rã của hạt Higgs để bổ sung các sản phẩm phi thường đi ra từ việc sản xuất hạt Higgs ở nơi đầu tiên. Ví dụ, trong liên kết sản xuất với một cặp đỉnh , chúng ta có gg → tth. Mỗi trong 2 đỉnh phân rã thành một quark đáy , một lepton , và một neutrino (bạn có thể vẽ sơ đồ cho thấy điều này không ?), trong khi hạt Higgs cũng phân rã - hãy nói rằng, thành một cặp quark đáy (b). (Đến bây giờ ta không phân biệt các hạt quark và phản quark.) Điều này có nghĩa rằng một kênh chúng ta phải tìm được là một sự phân rã khá cồng kềnh , như sau
               

 gg → tth →blν blν bb

Chuỗi ký tự này nói lên điều gì vậy ? Như một câu đố vui , các bạn có thể giải mã nó như sau :
{(g)gluon-(g)gluon}  →{ (t)top (t)top (h)higgs} →{(b)bottom (l)lepton (ν)neutrino  (b)bottom (l)lepton (ν)neutrino (b)bottom(b)bottom  } 

Đây không chỉ là rất nhiều rác khi tìm kiếm trong các trạng thái cuối cùng (mỗi quark (b) hadron hóa thành một vòi phun ), nhưng còn có tất cả các loại của các quá trình Mô hình chuẩn khác cho trạng thái cuối cùng như nhau !  Vì vậy, nếu chúng ta chỉ đếm một cách đơn giản số sự kiện "bốn vòi phun, hai lepton, và năng lượng thiếu (neutrino)" , chúng ta sẽ không chỉ đang đếm sự kiện sản xuất Higgs, mà còn là một loạt các sự kiện cơ bản khác mà không có gì để làm với các Higgs cả . Người ta phải dự đoán tỷ lệ của những sự kiện nền tảng và trừ chúng đi với số lần thử nghiệm. ( Ở đây không đề cập đến công tác đối phó với thực nghiệm không chắc chắn và các thử nghiệm sai số khả dĩ) .

Nút thắt ở chỗ : nó có thể rất khó khăn để tìm kiếm hạt Higgs và sự tìm kiếm này rất phụ thuộc vào khối lượng hạt Higgs. Đây là lý do tại sao chúng ta có thể phải chờ một vài năm trước khi LHC có đủ dữ liệu để nói điều gì đó dứt khoát về boson Higgs . ( Có vẻ đã hơi ngắn gọn ở đây, nhưng điểm chính của chúng ta là thêm hương vị cho việc tìm kiếm Higgs tại LHC chứ không phải giải thích nó một cách chi tiết các bạn nhé ! )

[ Ghi chú : Bài viết này của Flip Tanedo được xuất bản ngày thứ sáu 25 tháng 3 , 2011 . Hiện nay chúng ta cũng có một số thông tin nóng bỏng nhất về hạt Higg được cộng đồng các nhà vật lý hạt công bố . Xin hẹn bạn đọc vào một loạt bài viết chi tiết khác . Xem thêm : http://goo.gl/z7VnQ8   và  http://goo.gl/vJro6W ]


Như là một ví dụ cụ thể duy nhất, các bạn hãy xem xét các kênh sản xuất gluon phản ứng tổng hợp , gg → h . Điều này có vẻ tốt đẹp vì không có hạt bất thường trong quá trình sản xuất . Tuy nhiên, từ đồ thị trên, chúng ta có thể thấy rằng đối với khối lương tương đối nhẹ ( ít hơn 140 GeV ) hạt Higgs sẽ muốn phân hủy thành các hạt quark b . Điều này là không tốt theo cách thực nghiệm vì dấu hiệu này có nền tảng vô vọng lớn từ các sự kiện không có hạt Higgs.
Trong thực tế , chứ không phải thuần trực giác, mà một trong những cách tốt nhất sử dụng phản ứng tổng hợp gluon -nhằm tìm kiếm hạt Higgs có khối lượng nhẹ là để tìm những trường hợp mà nó phân hủy thành một cặp photon !

Mô hình máy dò hạt CMS 

 Ồ ! Điều này thực sự kỳ lạ vì Higgs không tương tác trực tiếp với các photon , vì vậy quá trình này phải xảy ra thông qua các hạt quark ảo ( biển quark ) , giống như các liên kết cặp Higgs -gluon nêu trên.
Như biểu đồ tỷ lệ phân nhánh trên cho thấy, đây là một quá trình rất hiếm : hạt Higgs không muốn phân hủy thành các photon rất thường xuyên . Tuy nhiên, quả là không có nhiều điều trong Mô hình Chuẩn có thể bắt chước tín hiệu " hai photon "  này để có nền tảng  rất ít như vậy . Bạn có thể thấy rằng điều này ngừng hoạt động nếu hạt Higgs là quá nặng vì tốc độ phân hủy thành photon co lại rất nhanh chóng .

12.6   Lời kết và nội dung sẽ có trong thời gian tiếp theo .

Trong bài tiếp theo chúng ta sẽ giới thiệu một loại quy tắc Feynman mới một cách đầy đủ đại diện cho  " giá trị kỳ vọng chân không " của hạt Higgs . Làm như vậy chúng ta sẽ sắp xếp ra những gì chúng ta thực sự muốn nói rằng một hạt có khối lượng và tiếp tục cuộc thám hiểm hướng tới chủ đề hấp dẫn về sự  phá vỡ  tính đối xứng điện yếu  ( " cơ chế Higgs " ) .

Cám ơn các bạn đã xem bài viết này .



Theo FLIP TANEDO | USLHC | USA

+++++++++++++++++++++++++++

Nguồn :
1. http://www.quantumdiaries.org/2011/03/25/an-idiosyncratic-introduction-to-the-higgs/
2. http://www.exploratorium.edu/origins/cern/ideas/cartoon.html
3. Teacher TV https://www.youtube.com/watch?v=DpkpNIu6tHI
4. http://www.pbs.org/wgbh/nova/blogs/physics/2012/06/the-higgs-boson-explained/
5.http://www.theatlantic.com/infocus/2012/07/the-fantastic-machine-that-found-the-higgs-boson/100333/
6. http://cms.web.cern.ch/news/cms-search-standard-model-higgs-boson-lhc-data-2010-and-2011
7. http://www-cdf.fnal.gov/physics/exotic/r2a/20050623.lmetbj_wh_tc/#Figure1
8. http://www.science20.com/a_quantum_diaries_survivor/the_plot_of_the_week_no_higgs_in_top_decays-132861
9. http://cosmiclog.nbcnews.com/_news/2012/07/03/12547980-the-higgs-boson-made-simple
10 .http://ihp-lx.ethz.ch/CompMethPP/lhc/introlhc.html



Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .

Ngày 27/03/2014.

 -------------------------------------------------------------------------------------------

 Khoa học là một điều tuyệt vời khi không phải dùng nó để kiếm sống. 

 Albert Einstein .

NHẬT KÝ LƯỢNG TỬ - CUỘC THÁM HIỂM THẾ GIỚI VẬT LÝ HẠT - Bài 10 . Những hiểu biết được biết đến về Mô hình Chuẩn .

NHẬT KÝ LƯỢNG TỬ - CUỘC THÁM HIỂM THẾ GIỚI VẬT LÝ HẠT - Bài 10 . Những hiểu biết được biết đến về Mô hình Chuẩn .

Lời nói đầu .


Vật lý hạt nhân là một nhánh quan trọng trong khoa học vật lý , nó chỉ ra những quan hệ tương tác giữa các hạt , phản hạt cùng những cấu thành khác trong thế giới hạt vi mô . Nhưng để hiểu được các ý nghĩa của chúng bằng việc sử dụng các công thức , ký hiệu toán học và các kiến thức vật lý cao cấp khác là cả một sự khó khăn với quảng đại quần chúng . Loạt bài sau đây gồm 20 đề tài được các tác giả là những nhà vật lý hạt hiện đang tham gia nghiên cứu về lĩnh vực này thể hiện qua những bài đăng rất thú vị . Xin trân trọng giới thiệu đến bạn đọc .




Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 18/08/2013.


Đường dẫn :

Bài 1 . Sơ đồ Feynman .

Bài 2 . Nhiều sơ đồ FEYNMAN hơn nữa .

Bài 3 . QED + μ  giới thiệu về muon . 

Bài 4 . Boson Z và sự cộng hưởng .

Bài 5 . Các chàng ngự lâm Neutrinos .

Bài 6 . Tí hon boson W - làm rối tung mọi thứ .

Bài 7 . Các chú lính quarks - Một cuộc gặp gỡ thú vị .

Bài 8 . Thế giới của keo .

Bài 9 . QCD và sự giam hãm .

Bài 10 . Những hiểu biết được biết đến về Mô hình Chuẩn .

Bài 11 . Khi sơ đồ Feynman thất bại .

Bài 12 . Bài giới thiệu độc đáo về boson Higgs .




Bài 10 . Những hiểu biết được biết đến về Mô hình Chuẩn



10.1 Những ý tưởng cơ bản  .

Có một câu nói nổi tiếng của cựu Bộ trưởng Quốc phòng Hoa Kỳ Donald Rumsfeld mà thực sự đã được áp dụng đối với các nhà vật lý hạt :

" Có những hiểu biết được biết đến .
Đấy là những điều chúng ta biết rằng chúng ta đã biết .
Có những điều chưa biết được biết đến.
Đó nghĩa là  , có những điều mà chúng ta biết rằng chúng ta không biết .
Nhưng cũng có những điều chưa biết chưa được biết rõ.
Và có những điều chúng ta không biết rằng chúng ta không biết  " .

Bỏ qua bối cảnh dự định ban đầu , tuyên bố này không chỉ mô tả tình trạng hiện tại của Mô hình Chuẩn , mà còn nắm bắt một cách chính xác tất cả những hy vọng và ước mơ về LHC của chúng ta .

Chúng ta có " những hiểu biết được biết đến" ( có thể nói  " kết luận đã biết " )  mà lý thuyết của chúng ta đã có thỏa thuận đáng chú ý với thực nghiệm . Bài viết này tóm tắt một số trong những điều này theo ngôn ngữ của sơ đồ Feynman .

Ngoài ra cũng có " những điều chưa biết được biết đến " ( ẩn luận đã biết ), nơi mà lý thuyết của chúng ta bị phá vỡ và thực sự cần một cái gì đó mới hơn . Đây là hầu hết những gì các nghiên cứu của chúng ta tập trung vào và những gì  muốn đề cập đến trong tương lai gần.

Cuối cùng, những điều thú vị nhất cho chúng ta là cơ hội để thám hiểm lãnh thổ chưa được khám phá và tìm thấy một cái gì đó hoàn toàn bất ngờ , là "những ẩn luận chưa được biết đến "

Bây giờ chúng ta hãy tập trung vào " kết luận đã biết , " những điều mà chúng ta đang khá chắc chắn rằng chúng ta hiểu được . 

Có một cảnh báo rất quan trọng mà chúng ta cần phải  quan tâm đến những gì chúng ta muốn nói là "chắc chắn" , nhưng chúng ta sẽ nhận được ở dưới cùng . Các " kết luận được biết" là những gì chúng ta gọi là Mô hình Chuẩn của vật lý hạt * , một cái tên đã nói lên rất nhiều xác nhận thực nghiệm lặp đi lặp lại của nó .
* - Một cảnh báo nhỏ: có một " ẩn luận được biết " thực sự được giả định là một phần của Mô hình Chuẩn, đó là boson Higgs.

10.2 Vài thông tin về hạt Higgs .

http://vi.wikipedia.org/wiki/Boson_Higgs

 Boson Higgs hiện là một trong những hạt nổi tiếng nhất chưa-được-phát hiện và sẽ là trọng tâm của một bài viết sắp tới. Trước tiên, hãy bắt đầu bằng cách xem xét các hạt vật chất của Mô hình Chuẩn. Chúng được gọi là fermion và đó là những "nhân vật chính" trong câu chuyện của chúng ta .

a.Thông tin về hạt Higgs ,
Dưới đây là một đoạn video clip mô tả tóm tắt về hạt Higgs .

Nguồn : http://www.theguardian.com/science/video/2012/jul/03/what-is-a-higgs-boson-video
Hay : https://www.youtube.com/watch?v=E6m_MZgJYAg&feature=youtu.be

Các nhà khoa học tại CERN, phòng thí nghiệm vật lý hạt châu Âu tại Geneva  , tiết lộ những phát hiện mới nhất của họ trong việc tìm kiếm Higgs boson. Ở đây, phóng viên khoa học Ian Sample - tác giả của Massive: Cuộc săn tìm các hạt của Chúa - giải thích về boson Higgs , và cách thức các nhà vật lý Cern đang tìm kiếm nó, và tại sao nó lại quan trọng nếu họ tìm thấy nó .

b. Về tác giả Higgs .
Peter Higgs, là giáo sư vật lý 84 tuổi của Đại học Edinburgh tại Anh, công bố giả thuyết vào tháng 9/1964, nhưng ông là người đầu tiên đưa ra những mô tả cụ thể về những tính chất của hạt Higgs. Sau đó Carl Hagen, Gerald Guralnik - hai nhà nghiên cứu người Mỹ - và Tom Kibble - một nhà khoa học Anh - cũng công bố giả thuyết về hạt Higgs. Những công trình của 6 nhà khoa học cho thấy các hạt cơ bản bên trong nguyên tử có khối lượng nhờ tương tác với một trường vô hình bao trùm khắp vũ trụ. Mức độ tương tác giữa chúng với trường vô hình càng lớn thì khối lượng của chúng càng tăng. Hạt Higgs chính là thứ tạo ra trường vô hình ấy. "Khối lượng hạt Higgs liên quan tới mức độ ổn định của vũ trụ. Nếu khối lượng của hạt Higgs chỉ tăng hoặc giảm một chút, vũ trụ sẽ diệt vong", Christopher Hill, một nhà vật lý lý thuyết của Fermilab tại Mỹ, giải thích.

(  Nguồn : http://news.zing.vn/Nobel-Vat-ly-2013-ton-vinh-hai-nguoi-du-doan-hat-cua-Chua-post358781.html )

c. Các bài viết về boson Higgs .
 Dành cho các bạn ưa thích về lý thuyết Higgs Boson ( tuy rằng hơi rắc rối và làm đau đầu một chút nhé ! )  , xin xem thêm ở các trang sau
HIGGS BOSON 1
HIGGS BOSON 2

10.3  Hạt vật chất  : các fermion .

Chúng ta có thể sắp xếp các hạt trong cùng một biểu đồ , một cái gì đó xem tựa như một bảng tuần hoàn cho vật lý hạt  :

Hãy chỉ tập trung vào cột đầu tiên được tô sáng . Cột này có tất cả các hạt vật chất "bình thường" tạo nên gần như tất cả vật chất trong vũ trụ và có sự tương tác,  giải thích tất cả mọi thứ chúng ta cần phải biết về hóa học (và cho tất cả mọi thứ được xây dựng trên đó).
Hai hạt ở cột đầu là quark lên và quark xuống . Đây là những kẻ tạo nên proton (uud) và neutron (udd). Như đã nêu trong bảng xếp hạng, cả hai quark lên và xuống  có ba " sắc." Sắc ở  đây không phải là nghĩa đen như màu của quang phổ điện từ, mà chỉ được xem như là một ghi nhớ tiện dụng cho phiên bản khác nhau của các quark.
Bên dưới quark lên và xuống chúng ta có electron và electron -neutrino (ue), chúng được gọi chung là lepton.  Electron là hạt thông thường có "đám mây" bao quanh một nguyên tử và có tương tác phần lớn là chịu trách nhiệm cho hầu hết các phản ứng hóa học.  Electron -neutrino là anh em họ quái dị của điện tử, nó chỉ tương tác rất yếu và gần như không có khối lượng .
Như chúng ta đã nói , cột đầu tiên này  (u, d, e, và  ue) là đủ để giải thích tất cả các hiện tượng nguyên tử. Nhưng rồi thực là một điều bất ngờ , vì sau đó , chúng ta lại có hai cột mang các hạt có đặc tính gần giống như các hạt láng giềng của chúng tính theo chiều ngang . Sự khác biệt duy nhất là khi bạn di chuyển sang bên phải ở bảng xếp hạng trên, các hạt trở nên nặng hơn. Vì vậy, các quark charm (c) dù là một bản sao của quark lên (u) mà hóa ra lại nặng hơn đến 500 lần. Các quark top (t)  vẫn nặng hơn , nó là hạt cơ bản nặng nhất được biết đến , cân nặng đến hơn 172 GeV .  Các anh chị em của quark xuống (d) là quark lạ (s) và quark đáy ( b) , những hạt này có lịch sử đóng một vai trò quan trọng trong hương vật lý , một lĩnh vực mà sẽ sớm được hưởng lợi từ các thí nghiệm LHCb . Mỗi quark tất cả có ba sắc, với tổng số 2 hàng x 3 sắc x 3 cột = 18 quark cơ bản . Cuối cùng, các electron và neutrino đi kèm với bản sao tên muon ( m ) Và tau ( t ) . Giá trị của nó lưu ý  rằng chúng ta vẫn chưa biết đến liệu các muon và tau- neutrino có nặng hơn electron - neutrino hay không . ( Vật lý neutrino đã trở thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu chính của Fermilab hiện nay ).
Vì vậy, đó là tất cả những điều chúng ta biết về các hạt. Như đã đề cập trong bài viết đầu tiên của chúng ta , có thể vẽ ra những hạt này như dòng thẳng với một mũi tên đi qua chúng . Bạn có thể thấy rằng có hai loại lepton (ví dụ lớp-điện tử và lớp-neutrino ) và hai loại quark ( lớp-lên và lớp-xuống ) , cũng như một số bản sao của các hạt này . Ngoài ra, mỗi hạt đi kèm với một phản hạt có điện tích trái dấu . Chúng ta sẽ không đi vào chi tiết về phản vật chất, nhưng hãy xem các bài viết trước đó với phần mô tả khá kỹ lưỡng .

Bạn có thể nghĩ về các hạt như những danh từ . Bây giờ chúng ta sẽ cung cấp thêm các động từ để mô tả cách chúng có thể tương tác với nhau . Để làm điều này , các bạn sẽ được giới thiệu hạt lực ( boson ) và cung cấp các quy tắc Feynman để mô tả cách các hạt trao đổi thông tin .  Bằng cách xâu chuỗi lại những dòng hạt khác nhau với các đỉnh để mô tả tương tác , chúng ta kết thúc với một sơ đồ Feynman kể về câu chuyện của một sự tương tác hạt ( Đây có thể xem là " mệnh đề " được hình thành từ các danh từ fermion và động từ boson  ) .

Trong các bài viết sau cũng sẽ đề cập đến các lực bằng các ' lý thuyết ' mô tả chúng , nhưng như đã biết , lực đều là một phần trong khuôn khổ Mô hình Chuẩn lớn hơn.

10.4 Điện động lực lượng tử .
QUANTUM ELECTRODYNAMICS

Lực đơn giản nhất để mô tả là QED , lý thuyết về điện và từ tính được trung hòa bởi các photon. ( Vâng , đây mới chỉ là " hạt " của ánh sáng ! ) Giống như tất cả các hạt lực , photon được biểu diễn như một dòng sóng . Chúng ta đã vẽ đỉnh cơ bản mô tả các kết nối của một điện tử với photon trong một trong những bài viết đầu tiên về sơ đồ Feynman .

Vì những lý do lịch sử, các nhà vật lý thường viết các photon như một gamma , g . Photon không có khối lượng , có nghĩa là chúng có thể di chuyển xa và một số lượng lớn của chúng có thể tạo nên các trường điện từ vĩ mô. Như đã mô tả trong bài đầu tiên , bạn có thể tự do di chuyển các điểm mút đầu cuối của một đỉnh tự do . Cần nhớ rằng bạn phải có một dòng mũi tên đi vào đỉnh và một dòng mũi tên đi ra. Đây là hiện tượng bảo toàn điện tích .
Tuy nhiên , ngoài các electron, tất cả các hạt tích điện tương tác với các photon cùng đỉnh . Điều này có nghĩa rằng tất cả các hạt trên, ngoại trừ các neutrino , đều có đỉnh này . Ví dụ, chúng ta có thể có một đỉnh " uu g "  nơi mà chúng ta chỉ cần thay thế vị trí e ở trên bằng u . QED chịu trách nhiệm về điện và từ tính và tất cả những thứ đi kèm cùng với nó ( như ... điện tử , máy tính v.v.. , ).

10.5 Hương động lực lượng tử .
QUANTUM FLAVORDYNAMICS

Đây là một tên gọi hơi lỗi thời đối với lực yếu có trách nhiệm với phóng xạ (trong số những thứ khác). Có hai loại hạt lực kết hợp với lực yếu: các boson Z và W. Boson Z là bản sao nặng của các photon , vì vậy chúng ta chỉ có thể đưa các quy tắc Feynman ở trên và thay đổi gamma g thành một Z. Không giống như photon, các boson Z cũng có thể tương tác với neutrino. Sự hiện diện của Z đóng một vai trò quan trọng trong sự thống nhất toán học của Mô hình Chuẩn, nhưng với mục đích của chúng ta hiện nay có vẻ hơi nhàm chán một chút vì chúng dường như giống với các hạt photon bé mũm mĩm .

Nhưng boson W là một cái gì đó khác hẳn . W mang điện tích và sẽ kết nối các hạt thuộc các loại khác nhau (theo cách bảo toàn điện tích tổng thể tại mỗi đỉnh). Chúng ta có thể vẽ các đỉnh lepton như sau :

Chúng ta vừa viết ra một dòng xoắn - L có nghĩa là một lepton tích điện (e, m ,t )  và i có nghĩa là chỉ số bất kỳ trong các neutrino (ue,um,ut)  .  Một bộ các quy tắc rõ ràng có thể được tìm thấy ở dưới đây.

Bổ sung thêm cho những điều này , các quark cũng liên kết cặp với W theo cùng một cách khá chính xác : chỉ cần thay thế các lepton tích điện và neutrino bởi một quark lớp-lên và một quark lớp-xuống tương ứng. Các bản sao khác nhau của lên, xuống, điện tử, electron- neutrino được gọi là các hương vị . Boson W rất là đặc biệt bởi vì nó làm trung hòa tương tác giữa các hương vị hạt khác nhau. Lưu ý rằng không được kết hợp các quark với các lepton.

Vì W là tích điện , nên nó cũng liên kết cặp với photon , boson Z :

Cuối cùng, W cũng tham gia vào một số tương tác bốn boson  ( là điều sẽ không quá quan trọng trong các bài viết của chúng ta) :

10.6  Sắc động lực lượng tử .
QUANTUM CHROMODYNAMICS

Cuối cùng, chúng ta đi đến QCD : lý thuyết của "lực lượng mạnh " . QCD có trách nhiệm ràng buộc quark lại với nhau thành baryon (ví dụ như proton và neutron) và meson (cặp quark-phản quark) .
Lực mạnh được trung hòa bởi các gluon, được ký hiệu hình dạng đường xoắn lò xo. Gluon liên kết cặp vợ chồng các hạt có sắc tích , vì vậy chúng chỉ tương tác với các hạt quark. Sự tương tác quark-gluon cơ bản có dạng

Các quark phải có cùng hương (ví dụ đỉnh có thể trông giống như up-up-gluon chứ không được là up-down-gluon ) nhưng có thể có sắc khác nhau. Cũng giống như đỉnh photon phải được trung hòa điện, đỉnh gluon cũng phải có sắc trung tính .   Do đó chúng ta nói rằng gluon mang một sắc và một phản-sắc, ví dụ như màu đỏ / phản-xanh . Vì những lý do liên quan đến lý thuyết nhóm, có tổng cộng tám gluon hơn là chín mà người ta có thể mong đợi. Hơn nữa, do gluon mang sắc tích , chúng tương tác với chính chúng :

QCD-bên cạnh vấn đề tổ chức các hạt vật chất lại với nhau và trở thành một chủ đề phong phú riêng biệt - nó chịu trách nhiệm về tất cả các nguyên nhân gây ra những cơn đau đầu cho các nhà vật lí hạt về cả lý thuyết lẫn thực nghiệm.  Ở mặt thử nghiệm nó có nghĩa là quark và gluon cá thể xuất hiện như những dòng phun hadronic phức tạp trong máy va chạm . Về mặt lý thuyết vấn đề liên kết cặp mạnh (và ý tưởng liên quan sự giam sắc) có nghĩa là kỹ thuật 'gây nhiễu' thông thường để tính toán thực sự về tỷ lệ cho một quá trình , nhanh chóng trở nên lộn xộn và rất khó sửa chữa . May mắn thay, hiện nay đã có những kỹ thuật thông minh về cả hai mặt này mà chúng ta có thể sử dụng để tạo ra nhiều quá trình và thu được nhiều thông tin hữu ích .

10.7  Mảnh ghép còn thiếu : boson Higgs

Tất cả mọi thứ chúng ta đã xem xét cho đến nay là những kết luận được biết , đây là những phần của lý thuyết đã được thử nghiệm và kiểm tra lại đồng thời cung cấp các thỏa thuận rất tốt với tất cả các thí nghiệm được biết đến . Có một vài tham số chưa biết như khối lượng chính xác của các neutrino, nhưng đây  cơ bản là những chỉ số phải được đo và sẽ gắn vào các lý thuyết hiện có.
Có một mảnh ghép còn thiếu trong bức tranh QCD mà chúng ta biết nó phải hoặc hiển thị, hoặc một cái gì đó như nó phải hiển thị : đó là boson Higgs . Chúng ta sẽ dành toàn bộ một bài để nói về hạt Higgs sau , vì vậy bây giờ đủ để nói rằng hạt Higgs là một phần không thể thiếu của Mô hình Chuẩn . Trong thực tế, nó có liên quan mật thiết đến lĩnh vực yếu . Tầm quan trọng của hạt Higgs boson là một điều gì đó gọi là sự phá vỡ tính đối xứng điện yếu   . Đây là quá trình giải thích tại sao các hạt có khối lượng như chúng đang có và tại sao các boson W , Z, và photon lại quá đan xen với nhau như vậy .  Quan trọng hơn, toàn bộ cấu trúc của Mô hình Chuẩn sẽ bị phá vỡ trừ khi một cái gì đó như boson Higgs phải tồn tại để tạo ra sự phá vỡ tính đối xứng điện yếu  : các máy móc toán học đằng sau những sơ đồ kết thúc  bằng cách cho kết quả vô nghĩa như xác suất được lớn hơn 100% .  Một cách ngẫu nhiên , những hành vi vô nghĩa thảm hại này lại bắt đầu ở khoảng  quy mô TeV - chính xác hơn đây là lý do tại sao điều này chính là mức quy mô năng lượng mà LHC đang thăm dò , và chính xác lý do tại sao chúng ta rất hy vọng vào nó để tìm ra một cái gì đó .

Một cách ưa thích của việc mô tả Mô hình chuẩn là có bốn boson Higgs , nhưng ba trong số đó bị " ăn " bởi boson W và Z khi chúng trở nên lớn . (Điều này được gọi là cơ chế Goldstone , nhưng bạn có thể nghĩ về nó như câu chuyện cổ tích Grimm trong vật lý hạt vậy ) Điều này đã dẫn dắt các nhà vật lý có những ý nghĩ kỳ quặc khi họ phát biểu những câu đại loại như , " Các boson Higgs ư ? Chúng ta đã tìm thấy ba hạt trong số chúng rồi ! "

10.8  Học thuyết và học thuyết hiệu quả . 

Bằng cách xác định các hạt trên và phát biểu cách thức Higgs gây ra sự phá vỡ tính đối xứng điện yếu  , ta đã xác định được mọi điều về lý thuyết cho đến khi một số trường hợp đặc biệt có thể đo được. Đây không phải là thực sự có nhiều thông tin; cấu trúc của cơ học lượng tử và thuyết tương đối đặc biệt sửa chữa mọi thứ khác :  làm thế nào để viết ra những dự đoán cho các loại khác nhau của các quá trình tương tác giữa các hạt .

Nhưng bây giờ một cái gì đó có vẻ lạ : chúng ta có thể kiểm tra và kiểm tra chéo Mô hình Chuẩn theo nhiều cách khác nhau . Tuy nhiên , hiện thời có thể nói với các bạn rằng có một mảnh ghép cuối cùng này bị mất tích  - boson Higgs - mà thực sự , thực sự quan trọng ... nhưng chúng ta vẫn chưa tìm thấy nó . Nếu đó là sự thật , làm thế nào chúng ta có thể chắc chắn như vậy về các xét nghiệm của chúng ta về Mô hình Chuẩn ? Làm thế nào chúng có thể là " kết luận được biết " khi chúng ta đang thiếu một phần quan trọng nhất của lý thuyết ?
 Tổng quát hơn, thật có vẻ hài hước khi nói rằng chúng ta "biết" bất cứ điều gì với sự chắc chắn bất kỳ trong khoa học !   Sau tất cả , một phần của sự phấn khích của LHC là niềm hy vọng rằng các dữ liệu sẽ mâu thuẫn với Mô hình Chuẩn và buộc chúng ta phải tìm kiếm một mô tả cơ bản hơn về tự nhiên .  Cơ sở của phương pháp khoa học cho biết một lý thuyết chỉ tốt khi các thí nghiệm trước đó kiểm tra nó là đúng , và có nhiều lý do để tin rằng Mô hình Chuẩn bị phá vỡ tại một số quy mô . Nếu đây là trường hợp như vậy , thì làm thế nào chúng ta có thể thực sự "biết được" bất cứ điều gì trong mô hình Mô hình Chuẩn sẽ sớm bị lật đổ ?

Điểm mấu chốt ở đây : mô hình chuẩn là một cái gì đó được gọi là lý thuyết hiệu quả. Nó thu tóm gần như tất cả mọi thứ chúng ta cần phải biết về vật lý bên dưới quy mô 200 GeV , nhưng không nhất thiết phải thực hiện bất kỳ lời hứa về những gì ở trên quy mô đó. Trong thực tế, căn bệnh mà Mô hình Chuẩn phải chịu đựng khi chúng ta loại bỏ các boson Higgs (hoặc một cái gì đó giống như nó) chỉ là cách thức của lý thuyết kể lại cho chúng ta rằng , " Này nhé , tôi không còn giá trị ở đây nữa rồi ! "  .

Đây không phải là điều gì lạ như người ta có thể nghĩ . Hãy xét trường điện từ cổ điển của một hạt điểm : đó là một điều kỳ lạ nổi tiếng đối với bất kỳ một học sinh phổ thông nào về sự kiện thế năng ở các vị trí chính xác của nguồn điểm là vô hạn . Điều đó có nghĩa rằng một electron có năng lượng vô hạn chăng ? Không phải vậy ! Trong thực tế, dự đoán dường như vô nghĩa này là điện từ cổ điển nói cho chúng ta biết có một cái gì đó mới cần phải sửa chữa nó. Một cái gì đó mới chính là cơ học lượng tử và sự tồn tại của các phản hạt , như chúng ta đã thảo luận trong các bài trước .

Điều này không có nghĩa là lý thuyết hiệu quả là không tốt, nó chỉ có nghĩa là nó đã phá vỡ trên một số miền giá trị . Mặc cho sự tồn tại của cơ học lượng tử , những bài học phổ thông chúng ta có từ vật lý học vẫn còn đủ để chúng ta hướng vào thăm dò vũ trụ trong công cuộc khám phá hệ mặt trời.

Chúng ta chỉ không nên mong đợi  tin tưởng vào cơ học Newton khi mô tả các hạt hạ nguyên tử. Thực sự là có một cảm giác khá chính xác trong đó khi cho rằng một lý thuyết trường lượng tử là " hiệu quả", nhưng đó chỉ là một vấn đề kỹ thuật mà không phải xáo trộn những trực giác vật lý được trình bày ở đây .

Dành cho các nhà vật lý : lý thuyết của Mô hình Chuẩn mà không cần hạt Higgs là một loại mô hình sigma phi tuyến tính  (NLs M - Non-Linear Sigma Model ).  Mô hình này mô tả chính xác một lý thuyết về boson vector lớn nhưng bị ảnh hưởng bởi một sự cố của tính thống nhất . Hạt Higgs là hiện tượng hoàn thành tuyến tính của (NLs M) làm gia tăng ngưỡng của lý thuyết. Trong thực tế, điều này làm cho lý thuyết rõ ràng là đơn nhất, nhưng lại không giải quyết được vấn đề hệ thống phân cấp.  Nếu có thì giờ các bạn nên xem qua các cuộc thảo luận sư phạm tuyệt vời , với bài giảng của Nima Arkani-Hamed  tại  http://video.ias.edu/pitp-2010

10.9  Lời kết .
Các hạt và tương tác chúng ta đã mô tả ở đây (trừ hạt Higgs ) là các đối tượng và các quá trình mà chúng ta đã thực sự sản xuất ra và quan sát thấy trong phòng thí nghiệm . Có một lý thuyết mô tả tất cả điều này một cách tốt đẹp và tinh gọn, và lý thuyết này đòi hỏi một cái gì đó như boson Higgs tồn tại để có ý nghĩa ở mức năng lượng cao .

Điều đó không có nghĩa là không có nhiều câu hỏi mở . Chúng ta cho rằng, hạt Higgs có liên quan đến một cái gì đó gọi là " sự phá vỡ tính đối xứng điện yếu " , nhưng vẫn còn chưa biết lý do tại sao điều này xảy ra . Hơn nữa, chúng tôi có lý do để mong đợi hạt Higgs xuất hiện trong cấp độ 115 - 200 GeV  , nhưng về mặt lý thuyết nó có một giá trị "tự nhiên" ở khối lượng Planck (1019 GeV ) . Tại sao hạt Higgs lại trở nên quá nhẹ hơn nhiều so với giá trị "tự nhiên" của mình ? Hạt gì giải thích được vật chất tối ? Tại sao lại có nhiều vật chất hơn phản vật chất trong vũ trụ?

Trong khi hạt Higgs có thể là mảnh ghép cuối cùng của Mô hình Chuẩn , việc phát hiện hạt Higgs (hoặc một cái gì đó giống như nó! ) mới chỉ là khởi đầu của một câu chuyện thậm chí lâu hơn và thú vị hơn . Đây là trung tâm của lĩnh vực nghiên cứu chuyên ngành , có liên quan đến ý tưởng nghe có vẻ thực sự gọn gàng  như siêu đối xứng (supersymmetry ) và đa chiều  .

Cám ơn các bạn đã đọc bài viết này . Hẹn gặp lại .



+++++++++++++++++++++++++++

Nguồn :
1. http://www.quantumdiaries.org/2010/12/08/known-knowns-of-the-standard-model/
2. http://vi.wikipedia.org/wiki/Boson_Higgs
3. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Higgs_boson
5. http://www.physics.org/toplistdetail.asp?id=28
6. http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/jul/04/cern-discovers-higgs-like-boson
7. http://press.web.cern.ch/press-releases/2012/06/cern-give-update-higgs-search-curtain-raiser-ichep-conference
8. http://press.web.cern.ch/press-releases/2012/07/cern-experiments-observe-particle-consistent-long-sought-higgs-boson


Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .

Ngày 06/02/2014.

-------------------------------------------------------------------------------------------

 Khoa học là một điều tuyệt vời khi không phải dùng nó để kiếm sống.

 Albert Einstein .