Tiểu Luận Trình bày vấn đề hạt Higgs (lý thuyết và thực nghiệm)

TÊN ĐỀ TÀI: Trình bày vấn đề hạt Higgs (lý thuyết và thực nghiệm)​
Information
I. TỔNG QUAN LỊCH SỬ
Vào năm 1964, Peter Higgs đã gửi công trình về mô tả một thuật toán mang lại khối lượng cho hạt (vấn đề chưa được giải quyết trong lý thuyết cho đến thời điểm đó) đến tạp chí chuyên ngành "Physical Review Letters". Đầu tiên, các nhà thẩm định của tờ báo không tin vào ý tưởng này. Bài viết bị từ chối nhanh chóng. "Họ cho rằng điều đó không có liên quan gì đến vật lý cả", ông Higgs nói. Bài viết này có vỏn vẹn 4 phương trình và chỉ dài có một trang rưỡi [17].
Cuối cùng, mãi đến phiên bản thứ hai mới được tờ báo đồng ý đưa đi in. Thời gian ngắn sau đó, ai cũng bàn đến lý thuyết của Peter Higgs [17].

Hình 1. Ông Peter Higgs trong lần viếng thăm CERN (tháng 4 năm 2008): "Có lẽ đơn giản là tôi chỉ có may mắn".
Nhưng kể từ đó, Higgs cũng không trở thành giáo sư, vì ông không đạt được thành tựu nào khác. Ông là một nhà vật lý bình thường, và ông cũng chẳng hề phủ nhận điều này. "Có lẽ đơn giản là tôi chỉ có may mắn", ông giải thích [17].
Thế nhưng một trang rưỡi của năm 1964 không những chỉ làm cho ông nổi tiếng mà nó cũng mang lại hậu quả là nhiều cuộc đầu tư khổng lồ. Từ đó các nhà khoa học cố gắng chứng minh hạt Higgs với những máy gia tốc hạt ngày càng lớn .
Trong vài thập kỷ qua, ngành vật lý hạt đã xây dựng được một mô hình lý thuyết chính thống (SM), tạo nên khuôn khổ về sự hiểu biết các hạt và lực cơ bản trong tự nhiên. Một trong những thành phần cơ bản của mô hình này là trường lượng tử giả thiết phổ biến, chịu trách nhiệm cung cấp khối lượng cho các hạt. Trường này có tên gọi là trường Higgs. Nó là hệ quả của lưỡng tính sóng-hạt trong cơ học lượng tử, và tất cả các trường lượng tử đều có một hạt cơ bản đi kèm. Hạt đi kèm với trường Higgs được gọi là hạt Higgs, hay boson Higgs, theo tên của nhà vật lý Peter Higgs.
II. THỰC NGHIỆM
Tìm kiếm boson Higgs đòi hỏi một chút 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 có ngay sau Big Bang, hoặc khi cho các hạt hạ nguyên tử lao vào nhau ở tốc độ gần như bằng ánh sáng [1]. 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. 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 nhũng máy gia tốc. Điểm qua quá trình phát triển của một số máy gia tốc.
II.1. Máy gia tốc LHC (Large hadron collider)
Máy LHC được chế tạo bởi Tổ chức nghiên cứu hạt nhân Châu Âu (CERN), nằm bên dưới mặt đất tại biên giới Pháp-Thụy Sĩ giữa núi Jura và dãy Alps gần Genève, Thụy Sĩ. Dự án được cung cấp kinh phí và chế tạo với sự tham gia cộng tác của trên tám nghìn nhà vật lý của 15 quốc gia cũng như hàng trăm trường đại học và phòng thí nghiệm. Những tia hạt đầu tiên được dẫn vào trong máy ngày 10 tháng 9 năm 2008, và phải chờ khoảng 6 đến 8 tuần sau đó mới có được các đợt va chạm với năng lượng cực lớn đầu tiên [1].

Hình 2. Bản đồ vị trí LHC
II.1.1. Thiết kế vận hành
LHC được chứa trong một đường hầm vòng tròn với chu vi 27 km, nằm ở độ sâu từ 50 đến 175 m dưới mặt đất. Đường kính hầm là 3,8 m, có cấu trúc bê tông, được xây dựng trong các năm từ 1983 đến 1988, nguyên được dùng làm nơi chế tạo máy Large Electron-Positron Collider (LEP). Trên mặt công trình bao gồm rất nhiều thiết bị hỗ trợ như máy nén, quạt gió, các thiết bị điện tử điều khiển và các thiết bị làm mát [18][19].
Đường hầm chứa LHC có hai đường dẫn tia hạt song song sát nhau, giao nhau ở 4 điểm, mỗi đường sẽ chứa một tia proton, được lưu chuyển vòng quanh vòng tròn từ hai hướng ngược nhau. Có 1.232 nam châm lưỡng cực giữ cho các tia đi đúng đường tròn, thêm vào đó là 392 nam châm tứ cực được dùng để giữ các tia luôn hội tụ, để làm cho cơ hội va chạm dòng hạt ở 4 điểm giao nhau là cao nhất. Tổng cộng có trên 1.600 nam châm siêu dẫn được trang bị, với chiếc nặng nhất lên tới hơn 27 tấn. Cần tới khoảng 96 tấn heli lỏng để giữ các nam châm hoạt động ở nhiệt độ 1,9 độ K, khiến cho LHC trở thành thiết bị siêu lạnh lớn nhất thế giới với nhiệt độ của heli lỏng[18][19].
Các nam châm điện tứ cực siêu truyền dẫn được dùng để giữ các tia hạt đi tới 4 điểm tương tác, nơi xảy ra va chạm giữa các hạt proton.
Một hoặc hai lần một ngày, động năng của các hạt proton được gia tăng từ 450 GeV 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 àJ). 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 [21