Giới thiệu về các hạt cơ bản:

Có lẽ các bạn đã từng nghe về các hạt electron, photon, neutrino, quark, hay hạt Higgs boson ?

Nhìn vào bốn mầu sắc ở hình bên, các bạn có thể thấy hạt cơ bản được phân thành bốn nhóm khác nhau: quark (mầu cam), lepton (xanh lục), boson chuẩn (xanh lam), hạt vô hướng (tím). Cơ sở để phân loại chúng dựa trên các tính chất Spin và đặc tính tương tác. Spin là mômen động lượng nội tại của hạt, một cách để dễ hình dung có thể xem Spin đặc trưng cho chuyển động tự quay của mỗi hạt: Spin = 0 (Higgs boson), Spin = ½ (leptons và quarks), Spin = 1 (photon, gluon, W, Z). Tương tác của các hạt cơ bản gồm bốn loại: điện từ, yếu, mạnh và hấp dẫn. Mỗi nhóm có thể tham gia hai hay nhiều tương tác.

Các hạt cơ bản trong tự nhiên.

Các hạt cơ bản có thời gian sống khác nhau phụ thuộc vào khối lượng và đặc tính tương tác. Có những hạt không bao giờ chết như photon, gluon, electron, neutrinos, up quark. Còn những hạt nặng như top quark, W hay Z bosons thì có thời gian sống khoảng 10-25 giây. 

Ngoài những hạt đã được quan sát bằng thực nghiệm, có rất nhiều tiên đoán về sự tồn tại của những hạt cơ bản khác: hạt cơ bản tạo nên vật chất tối (chiếm khoảng 27% lượng vật chất - năng lượng trong vũ trụ), hạt graviton truyền tương tác hấp dẫn, các hạt siêu đối xứng, axion, hạt neutrino nặng …. Chúng có những tính chất, tương tác khác biệt với các hạt trên. Các nhà khoa học đang nỗ lực tiềm kiếm những hạt này trong phòng thí nghiệm hoặc trong các tia vũ trụ.

Lý thuyết trường lượng tử:

 Tuy rất nhỏ nhưng tính chất vật lý của các hạt cơ bản lại rất đa dạng và phức tạp. Các hạt này có thể dịch chuyển rất nhanh với tốc độ cỡ vận tốc ánh sáng. Chúng có thể chuyển hóa từ hạt này sang hạt khác. Trong rất nhiều hiện tượng, chúng thể hiện tính chất sóng thông qua hiện tượng giao thoa; nhưng chính những hạt đó lại có thể biểu hiện tính chất hạt qua những tín hiệu gián đoạn. Để mô tả được cả tính chất sóng và hạt, chúng ta dùng khái niệm trường lượng tử. Sử dụng khái niệm này chúng ta có thể tính toán các quá trình tán xạ (còn gọi là va chạm) giữa các hạt cơ bản.

Các tán xạ này có thể được mô tả bằng giản đồ Feynman như trên.  Giản đồ Feynman còn là một công cụ tính toán quan trọng của Lý thuyết trường lượng tử. Lý thuyết này là sự kết hợp của Lý thuyết tương đối hẹp và Cơ học lượng tử và thường được dạy vào năm 3 hay 4 cho sinh viên theo chuyên ngành Vật Lý.

Máy va chạm:

Các quá trình tán xạ giữa các hạt cơ bản có thể được tạo ra và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Các công cụ cần thiết gồm Máy gia tốc và Máy đo. Hiện nay, có thí nghiệm về tán xạ giữa các hạt proton va chạm với nhau ở năng lượng lớn 13 TeV ở máy gia tốc LHC tại phòng thí nghiệm CERN, Châu Âu. Tại máy gia tốc LHC có nhiều máy đo, trong đó hai máy đo lớn nhất là ATLAS và CMS. Hai máy đo này đã tìm ra một loại hạt cơ bản mới, hạt Higgs boson, năm 2012. Trải qua hai lần vận hành Run 1 (2009-2013), Run 2 (2015-2018) và đang bước vào giai đoạn vận hành mới Run 3 (từ 4/2022), LHC đã tạo ra kho dữ liệu khổng lồ (~280 petabytes). Hàng chục ngàn nhà khoa học từ hàng trăm viện nghiên cứu lớn thuộc 80 quốc gia đang tham gia vận hành, phân tích dữ liệu từ LHC trong nỗ lực đo đạc chính xác các tính chất của các hạt cơ bản, các hằng số tương tác, và tìm kiếm các hạt mới. Bên cạnh LHC, một số kế hoạch về các máy gia tốc mới như International Linear Collider (ILC), Future Circular Collider (FCC) đang được xây dựng.

Mô hình chuẩn và các câu hỏi mở:

Mười bảy hạt cơ bản cùng ba loại tương tác (điện từ, yếu, mạnh) được mô tả rất đẹp đẽ bởi Mô Hình Chuẩn (Standard Model - SM). Mô hình này là sự kết hợp của lý thuyết đối xứng chuẩn (gauge symmetry) và cơ chế phá vỡ đối xứng tự phát (spontaneous symmetry breaking) để tạo khối lượng cho các hạt. Tương tác điện từ và yếu được thống nhất lại thành tương tác điện yếu dựa trên nhóm đối xứng chuẩn . Tương tác mạnh được mô tả bằng nhóm đối xứng chuẩn . Các hạt leptons và quarks được chia thành ba thế hệ, mỗi thế hệ gồm 2 leptons và 2 quarks. Trong một thế hệ chúng lại được phân vào các đa tuyến của nhóm chuẩn. Yêu cầu bất biến với các nhóm đối xứng chuẩn dẫn đến sự xuất hiện của các hạt boson chuẩn một cách tự nhiên, tuy nhiên nó cũng ràng buộc các hạt này phải không có khối lượng. Điều này được thỏa mãn bởi photon và gluon nhưng không đúng cho hạt W và Z, là những hạt truyền tương tác tầm ngắn nên phải có khối lượng.  Như vậy nhóm đối xứng điện yếu  phải bị phá vỡ thành nhóm   mô tả tương tác điện từ. Sử dụng  phá vỡ đối xứng tự phát dẫn đến sự xuất hiện của hạt Higgs. Mô hình chuẩn được xây dựng trong những năm 1960 trước khi các hạt W, Z boson, các quark c, b, t, các lepton tau, neutrino tau, hạt Higgs được tìm thấy trong thực nghiệm. Việc tìm thấy các hạt này và các kết quả đo đạc về tiết diện tán xạ rất phù hợp với tiên đoán của mô hình chuẩn ở nhiều thí nghiệm khác nhau cho thấy mô hình chuẩn mô tả thế giới hạt cơ bản rất tốt.

        Mặc dù rất thành công trong việc mô tả tương tác điện từ, yếu và mạnh của hạt cơ bản, mô hình chuẩn vẫn còn nhiều hạn chế. Về mặt lý thuyết mô hình chuẩn chưa thống nhất được tương tác điện yếu và tương tác mạnh, chưa mô tả được tương tác hấp dẫn (sẽ có ảnh hưởng ở vùng năng lượng rất lớn). Vì sao khối lượng các hạt rất khác nhau, điện tích lại gián đoạn, số thế hệ lại là ba là những câu hỏi không có câu trả lời trong SM. Về mặt thực nghiệm, sự dao động neutrino cho thấy neutrino có khối lượng dù rất nhỏ. Trong khi đó neutrino không có khối lượng trong SM. Đo đạc mômen từ dị thường của muon cho thấy sự sai khác 4,2 độ lệch chuẩn so với tiên đoán của SM. Đo đạc trong thiên văn học cho thấy vật chất thông thường tạo thành từ các hạt cơ bản trong SM chỉ chiếm 5% vật chất-năng lượng của toàn vũ trụ, 95% còn lại là vật chất tối và năng lượng tối, không thể giải thích được bằng SM. Rõ ràng SM chỉ nên được xem là lý thuyết hiệu dụng ở vùng năng lượng GeV ->TeV mà các máy gia tốc có thể tiếp cận đến hiện nay. Việc xây dựng một lý thuyết mới bao trùm mô hình chuẩn, giải quyết các câu hỏi lý thuyết và thực nghiệm là một thách thức lớn mà các nhà vật lý hạt đang phải đối mặt.

Giới thiệu về nhóm nghiên cứu:

Nhóm nghiên cứu của chúng tôi gồm hai thành viên chủ chốt TS. Lê Đức Ninh và TS. Đào Thị Nhung (Khoa Khoa học cơ bản, ĐH Phenikaa) hiện đang nghiên cứu về hiện tượng luận liên quan đến các quá trình tán xạ của các hạt cơ bản. Chúng tôi tập trung vào các vấn  đề nghiên cứu sau:

Tính toán chính xác tiết diện tán xạ cho quá trình va chạm các hạt cơ bản ở máy gia tốc LHC, máy gia tốc thẳng ILC và bề rộng phân rã của các hạt cơ bản trong mô hình chuẩn và các mô hình mở rộng. Từ đó có thể so sánh trực tiếp với các dữ liệu thực nghiệm để kiểm định tính phù hợp của các tiên đoán của mô hình lý thuyết.

Các hiệu ứng vật lý mới mà mô hình chuẩn không giải thích được như vấn đề khối lượng của các hạt neutrinos, mômen từ dị thường của hạt muon, vật chất tối. Chúng tôi nghiên cứu những cơ chế, mô hình có thể giải quyết được các vấn đề trên.

Xây dựng những phần mền tính toán cho cộng đồng vật lý năng lượng cao để sử dụng cho mục đích phân tích dữ liệu, so sánh với dữ liệu thực nghiệm. Các phần mền đã và đang được chúng tôi phát triển cùng các cộng sự quốc tế gồm: VBFNLO, LILITH, NMSSMCALC, NMSSMCALC-nuSS, NMSSCALCEW.

Chúng tôi đã và đang hợp tác chặt chẽ với các nhóm nghiên cứu thuộc các viện và trường đại học trong nước và quốc tế: nhóm nghiên cứu GS. Milada. M. Muehlleitner thuộc trường đại học công nghệ Karlsruhe, Đức, nhóm nghiên cứu của TS. Sabine Kraml, Viện nghiên cứu Grenoble, Pháp,

Nhóm nghiên cứu TS. Francisco Campanario, trường đại học Valencia, Tây Ban Nha. Chúng tôi luôn chào đón những bạn sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh mong muốn tìm hiểu về hạt cơ bản, vật lý va chạm, vật lý mới và muốn tham gia nhóm nghiên cứu. Rất nhiều các bạn thành viên cũ của nhóm hiện đang học cao học, làm tiến sĩ, sau tiến sĩ tại các viện nghiên cứu, trường đại học danh tiếng trên thế giới.

                                                    Hà Nội, tháng 5/2022, Đào Thị Nhung và Lê Đức Ninh