LHC đã trông thấy những sự kiện ZZ đầu tiên

Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) tại CERN ở Geneva đã tạo ra cặp boson Z đầu tiên của nó, theo dữ liệu mới công bố của chương trình hợp tác Compact Muon Solenoid (CMS). Việc trông thấy cặp đôi đầu tiên này là một bước quan trọng trong công cuộc săn lùng boson Higgs của cỗ máy va chạm hạt lớn nhất thế giới, vì việc sản sinh và phân tích nhiều sự kiện như vậy có thể mang lại những dấu hiệu thiết yếu của các hạt Higgs vốn hay lảng tránh trong các thí nghiệm.

Mặt cắt của máy dò hạt CMS, với vết tích của bốn muon, những hạt duy nhất rời khỏi phần trong máy dò. Ba trong số bốn vết đi xuyên qua một số hoặc toàn bộ các bộ cảm biến chứa đầy chất khí, ở phía ngày của máy dò (màu đỏ trên hình), trong khi vết còn lại được nhận ra bởi một bộ cảm biến đặt tại một đầu của CMS. Xung lượng rất cao của các muon được thể hiện bởi đường đi gần như thẳng của các vết của chúng. (Ảnh: CMS)

Được tin là cái mang lại khối lượng cho mọi hạt khác, boson Higgs là mảnh cuối cùng còn thiếu của Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt cơ bản. Người ta kì vọng LHC, được thiết kế để cho các proton va chạm vào nhau ở những năng lượng lên tới 14 TeV, sẽ tìm thấy hạt boson hay lảng tránh này – giả sử rằng hạt Higgs thật sự tồn tại.

Bằng chứng cho hạt Higgs sẽ không xuất hiện trong một quan sát đơn lẻ. Thay vào đó, các nhà vật lí phải tích lũy dữ liệu liên quan đến sự phân bố năng lượng của các hạt mà hạt Higgs phân hủy thành. Một trong những dấu hiệu phân hủy như vậy là sự biến đổi boson Higgs thành hai boson Z – một trong các hạt trung chuyển lực hạt nhân yếu. Boson Z sau đó phân hủy thành các cặp hạt nặng tích điện gọi là muon, chúng để lại một vết tích không thể nhầm lẫn trong một máy dò hạt kiểu như CMS.

Nhiều tầng cảm biến hạt

Nay sự kiện đầu tiên như vậy tại LHC đã được trông thấy bởi CMS – một trong hai cỗ máy dò hạt khổng lồ, đa mục đích, của cỗ máy va chạm lớn nhất thế giới. CMS gồm các lớp máy cảm biến hạt xếp đồng tâm, đặt bên trong và vòng quanh vòng ống của một nam châm siêu dẫn 4 Tesla. Bất kì boson Z nào sinh ra bởi các va chạm proton-proton tại tâm của ống với thời gian sống ngắn ngủi đều được phát hiện bởi hệ thống thiết bị bao xung quanh. Tuy nhiên, các muon tồn tại đủ lâu để đi khỏi điểm va chạm và truyền xuyên qua tất cả các bộ cảm biến bên trong. Sau đó, chúng chuyển động qua một số lớp chứa đầy chất khí, để lại vết tích của chúng qua sự ion hóa chất khí này. Các hạt tích điện đang chuyển động bị bẻ cong bởi một từ trường, nên từ độ cong của quỹ đạo của các muon, người ta tính ra được xung lượng của chúng.

Dữ liệu CMS, thu được trong những giờ đầu tiên sáng ngày 24 tháng 9, tiết lộ rõ ràng vết tích của bốn muon (xem hình). Và khối lượng của những muon này, nhóm lại thành hai cặp, mang lại các giá trị cho khối lượng của hạt Z vừa vặn trên 92 GeV, một con số rất gần với khối lượng Z đã biết. Thành viên nhóm hợp tác CMS, Tommaso Dorigo thuộc trường Đại học Padova ở Italy, bày tỏ sự vui mừng trước kết quả trên, ông mô tả nó trên blog của ông là “đẹp tuyệt vời, hay còn hơn thế nữa”.

Không cần hạt Higgs

Nhưng Dorigo cho biết kết quả này không mang lại bằng chứng rằng boson Higgs tồn tại. Ông cho biết các cặp boson Z có thể sinh ra gián tiếp bởi các va chạm proton và không cần sự sinh ra tức thời của hạt Higgs. Thật vậy, ông nói, đây có khả năng là phản ứng đã xảy ra trong trường hợp này. Muốn chứng tỏ boson Higgs tồn tại sẽ phải quan sát nhiều cặp ZZ như vậy và sau đó vẽ đồ thị phân bố khối lượng của các cặp. Nếu các cặp chỉ sinh ra trong phản ứng trực tiếp thì sự phân bố này sẽ khá phẳng, còn nếu boson Higgs có liên quan thì sự phân bố sẽ có một cực đại tại một giá trị đặc biệt nào đó – tức khối lượng của hạt Higgs.

Việc dự đoán xem cần bao nhiêu dữ liệu để chứng tỏ rằng cực đại này có tồn tại, và do đó là việc dự đoán xem cỗ máy nên chạy trong bao lâu trước khi tìm ra boson Higgs, là thật khó khăn vì tỉ lệ sự kiện ZZ thu được từ sự phân hủy của hạt Higgs phụ thuộc vào khối lượng của hạt Higgs, trong khi thông số này chưa được làm rõ từ lí thuyết. Ở trên khoảng 180 GeV – khối lượng kết hợp của hai hạt Z – các hạt Higgs có thể dần dần phân hủy thành một cặp Z nhưng ở khối lượng thấp hơn, có khả năng nó sẽ phân hủy thành những hạt khác chẳng dễ gì phát hiện ra.

“Với một khối lượng Higgs cho trước, chúng ta biết có bao nhiêu cặp Z, và do đó có bao nhiêu bộ tứ muon, mà chúng ta nên tạo ra”, Dorigo nó. “Nhưng vì chúng ta không biết khối lượng đó là bao nhiêu, cho nên tỉ lệ sự kiện muon do Higgs gây ra có thể thấp hơn một phần mười hoặc cao cỡ vài phần mười”.

Không tranh cãi, chờ tích lũy thêm dữ liệu

Như vậy, Dorigo bất đắc dĩ phải suy xét khi nào thì chúng ta, ông và cộng sự của ông, cuối cùng có thể tóm được “thủ phạm” Higgs. Nhưng với những lời rất dè dặt, ông nói khoảng chừng 100 cặp Z là cần thiết, con số mà theo ông có nghĩa là khoảng bằng 100 lần lượng dữ liệu va chạm đã thu thập từ trước đến nay. Giá trị này gấp khoảng năm lần lượng dữ liệu tích lũy được trước khi cỗ máy va chạm tạm dừng hoạt động để nâng cấp lên mức năng lượng trọn vẹn vào cuối năm 2011, nghĩa là bằng chứng có sức thuyết phục của một sự phân hủy Higgs thành các cặp Z trước thời điểm đó là không có khả năng (mặc dù những dấu hiệu phân hủy khác có thể cho phép khám phá với ít dữ liệu hơn).

Tuy nhiên, thành viên đội ATLAS, Andy Parker thuộc trường Đại học Cambridge, cho biết máy gia tốc hạt Tevatron của Fermilab có thể có thời gian hoạt động kéo dài đến năm 2014, điều đó có thể khiến CERN hoãn nâng cấp trong một năm. Ông nói bất kì quyết định nào về việc kéo dài thời gian hoạt động hiện nay cũng sẽ tùy thuộc vào việc cỗ máy gia tốc hoạt động êm xuôi như thế nào trong năm tới, nhưng ông tin rằng “năm nay đã rất thuận buồm xuôi gió rồi” và rằng CERN “có thể vẫn quyết định cho [LHC] chạy trong năm 2012”. Dù sao đi nữa, ông nói, kết quả CMS mới nhất cho thấy các thí nghiệm của LHC “giờ đã có đủ dữ liệu để bắt đầu tìm kiếm boson Higgs một cách nghiêm túc”.

Nguồn: physicsworld.com
Tác giả: Edwin Cartlidge