Bên trong cỗ máy gia tốc hạt: thí nghiệm ALICE nghiên cứu về va chạm ion nặng - Ảnh: HÀ THU
Cách đây 10 năm, ngày 4-7-2012, Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu CERN công bố bằng chứng tồn tại của "hạt của Chúa" Higgs boson từ dữ liệu của cỗ máy gia tốc hạt lớn LHC.
Sự kiện đã gây chấn động giới vật lý, bởi sự tồn tại của Higgs boson chứng minh tính chính xác của cơ chế Brout-Englert-Higgs, giải thích tại sao các hạt sơ cấp vật chất lại mang khối lượng, được dự đoán từ nửa thế kỷ trước.
Trong buổi họp báo, thay vì sung sướng hét lên "Eureka!" như nhà bác học Archimedes, các nhà vật lý ôm nhau xúc động "5 sigma!" - thuật ngữ thống kê mang nghĩa "xác suất Higgs boson không tồn tại với dữ liệu phân tích của LHC" là 1 phần 3,5 triệu.
Đằng sau khoảnh khắc "5 sigma" và những giọt nước mắt hạnh phúc là cả hành trình dài. Khoảng thời gian cơ chế Brout-Englert-Higgs chờ đợi để được xác thực bằng thực nghiệm là nửa thế kỷ, một công cuộc mò kim đáy bể tưởng chừng vô vọng.
"Tìm được cây kim ở đáy bể là bất khả thi, nhưng chúng ta có thể chứng minh nó tồn tại" - các nhà vật lý tại CERN khẳng định.
Higgs boson không thể được nhận diện trực tiếp bởi nó tồn tại chỉ trong một phần mười nghìn tỉ tỉ giây, nhưng có thể được tìm ra một cách gián tiếp thông qua dấu vết của các hạt tạo thành từ sự phân rã của nó.
Tuy nhiên, làm sao chứng minh các hạt quan sát được chính là sản phẩm phân rã của Higgs, thay vì từ những quá trình tương tác khác, khi xác suất tạo thành Higgs trong các vụ va chạm chỉ là một phần tỉ?
Để làm điều này, các nhà vật lý mất gần nửa thế kỷ thiết kế các thí nghiệm với công nghệ tối tân để gia tốc các chùm hạt vật chất đến gần tuyệt đối vận tốc ánh sáng, tạo ra hàng tỉ vụ va chạm mỗi giây ở mức năng lượng hàng nghìn tỉ electron-volt và với hệ thống máy móc thiết bị quan sát, nhận diện, lưu giữ và xử lý khối lượng dữ liệu khổng lồ từ các va chạm.
Trước LHC, nhiều máy gia tốc hạt khác đã hoạt động suốt nhiều thập niên, trong đó có LEP (CERN), RHIC (Brookhaven), Tevatron (Fermilab). Dù không tìm ra Higgs boson, các thí nghiệm trên đều có những đóng góp quan trọng và tạo nền móng cho những công trình tiếp nối.
Quá trình xây dựng và vận hành LHC đòi hỏi nguồn đầu tư hàng chục tỉ USD từ chính phủ các nước thành viên trong và ngoài Liên minh châu Âu, cùng hàng vạn nhân lực từ nhiều lĩnh vực. LHC có thể nói là "kim tự tháp" của khoa học công nghệ hiện đại xét về quy mô, nguồn tài chính và nhân lực. Quá trình nghiên cứu gặp vô vàn khó khăn, đã có những sự cố kỹ thuật lớn xảy ra khiến các nhà khoa học không ít lần cảm thấy mệt mỏi và thất vọng.
Suốt 50 năm từ ngày mô hình chuẩn được phát triển, có lẽ họ không nghe nhiều tiếng eureka mà chỉ thấy vị mặn của mồ hôi và nước mắt. Do đó, việc khám phá Higg boson và những thành quả nghiên cứu khác là quả ngọt hiếm hoi sau những nỗ lực phi thường, sự hợp tác và đồng lòng cũng như sự nhẫn nại và kiên định.
