Vũ Trụ Lượng Tử : Cuộc Cách Mạng Trong Vật Lý hạt Cơ bản thế Kỷ XXI

Tháng 10 năm 2003 Raymond L.Orbach, Giám đốc Vụ Khoa học (Office of Science) của Bộ Năng lượng Mỹ (U.S. Department of Energy) và Michael Turner, Trợ lý Giám đốc Ban Khoa học Tóan - Lý của Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (National Science Foundation) đã đồng ký tên một công văn gửi GS. Frederik Gilman, Chủ tịch Hội đồng Tư vấn Vật lý Năng lượng cao (High Energy Physics Advisory Panel – HEPAP) đề nghị thành lập một Ủy ban để xem xét các vấn đề chính yếu hiện nay trong vật lý năng lựợng cao, vật lý...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Vũ Trụ Lượng Tử : Cuộc Cách Mạng Trong Vật Lý hạt Cơ bản thế Kỷ XXI Vũ Trụ Lượng Tử : Cuộc Cách Mạng Trong Vật Lý hạt Cơ bản thế Kỷ XXI Tháng 10 năm 2003 Raymond L.Orbach, Giám đốc Vụ Khoa học (Office of Science) của Bộ Năng lượng Mỹ (U.S. Department of Energy) và Michael Turner, Trợ lý Giám đốc Ban Khoa học Tóan - Lý của Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (National Science Foundation) đã đồng ký tên một công văn gửi GS. Frederik Gilman, Chủ tịch Hội đồng Tư vấn Vật lý Năng lượng cao (High Energy Physics Advisory Panel – HEPAP) đề nghị thành lập một Ủy ban để xem xét các vấn đề chính yếu hiện nay trong vật lý năng lựợng cao, vật lý thiên văn hạt (particle astrophysics) và vũ trụ học và đề xuất phương hướng nghiên cứu sắp tới cũng như triển vọng. HEPAP đã thành lập một Ủy ban gồm 17 nhà khoa học để thực hiện yêu cầu trên. Và sau đây là tóm tắt báo cáo do Ủy ban đó sọan thảo. I.- MỞ ĐẦU Bản chất vũ trụ là gì và nó được cấu tạo từ cái gì? Vật chất, năng lựợng, không gian, thời gian là gì? Chúng ta xuất hiện ở đây như thế nào và đang đi đâu? Việc cố gắng trả lời các câu hỏi cơ bản về vũ trụ đã đạt đến bước ngoặt. Vào những năm đầu thế kỷ XXI, các nhà vật lý đã nắm vững được tính chất các hạt và các lực đặc trưng cho vật chất thông thường xung quanh chúng ta. Mặt khác, các quan sát vật lý thiên văn và vũ trụ bằng các trạm không gian lại cho thấy bức tranh đó của vũ trụ là không đầy đủ, vì 95% thành phần vũ trụ lại không phải cấu tạo từ vật chất thông thường, mà từ một cái gì khác còn bí ẩn : đó là vật chất tối và năng lựợng tối. Như vậy chúng ta đã nhận thức được là thực tế ta không biết gì về đại bộ phận những gì tạo nên vũ trụ. Để hiểu được vũ trụ “mới” còn chưa biết đó, ta cần những phát hiện mới của vật lý hạt. Các quan sát thiên văn giúp ta khảo sát các tham số của vũ trụ, các máy gia tốc giúp ta xây dựng một lời giải lượng tử cho các tham số đó. Năng lựợng đạt được ở các máy gia tốc ngày nay đã đến gần các điều kiện ở những giây phút đầu tiên sau Vụ Nổ Lớn, là công cụ sẽ giúp ta phát hiện ra vật chất tối, năng lựợng tối là gì, thực hiện cuộc cách mạng về nhận thức vật lý hạt cơ bản và vũ trụ. Chưa lúc nào như lúc này, hai cách tiếp cận từ quan sát vũ trụ và từ thí nghiệm với máy gia tốc lại song hành hỗ trợ nhau mật thiết đến như vậy. II.- BẢN CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LỰỢNG, KHÔNG GIAN VÀ THỜI GIAN. Các thí nghiệm đang tiến hành cũng như dự kiến tiến hành của vật lý hạt cơ bản ở các phòng thí nghiệm khắp nơi trên thế giới sẽ cho ta khả năng nêu lên chín câu hỏi về các định luật vật lý cơ sở đang chi phối vũ trụ. Các câu hỏi này vừa rất quen thuộc nhưng đồng thời có tính cách mạng sâu sắc, xác định hướng đi của vật lý hạt cơ bản trong thế kỷ XXI. Chín câu hỏi này ta có thể gọn lại theo 3 nội dung lớn như sau : GIẤC MƠ CỦA EINSTEIN VỀ CÁC LỰC HỢP NHẤT Giấc mơ này có thể nói đã được thực hiện khá tốt trong phạm vi vi mô, lượng tử (Mô hình tiêu chuẩn – Standard Model SM). Tuy nhiên các ý tưởng lượng tử đó lại không áp dụng được cho phạm vi vũ trụ. Có thể còn thiếu một vài thành tố nào đó; trường hấp dẫn, vật chất tối, năng lựợng tối phải có một cách diễn giải lượng tử. Phải có một lý thuyết gì đó bao quát được cả SM và thuyết tương đối tổng quát, đồng thời giải quyết được bí ẩn của năng lựợng tối. Câu hỏi 1.- Có hay không những nguyên lý của tự nhiên mà ta chưa phát hiện ra: những đối xứng mới, những định luật vật lý mới ? Công cuộc nghiên cứu của chúng ta từ trước tới nay về các định luật cơ bản của tự nhiên đã giúp ta nhận thức được là các định luật vật lý, và các hạt vật chất bị chi phối, tồn tại là do các đối xứng của tự nhiên làm nền tảng, một số trong các đối xứng này đã mất đi ngay từ Vụ Nổ Lớn. Một trong những đối xứng bị mất đó có thể là siêu đối xứng. Siêu đối xứng dự kiến là đi cặp với mỗi hạt thông thường luôn luôn có một hạt đồng hành siêu đối xứng. Lý thuyết siêu đối xứng – phần cốt lõi của lý thuyết dây, hé mở khả năng một trong những hạt đồng hành này, hạt neutralino, là ứng viên cho vật chất tối, cũng như mối liên quan có thể giữa siêu đối xứng và năng lựợng tối. Việc phát hiện ra siêu đối xứng rõ ràng là một thách thức thực nghiệm đối với vật lý hạt cơ bản, chưa nói đến việc khảo sát chi tiết cấu trúc và tính chất các hạt đồng hành siêu đối xứng. Câu hỏi 2.- Ta giải quyết bí ẩn của năng lượng tối như thế nào ? Các đo đạc gần đây bằng kính thiên văn cũng như các trạm không gian cho thấy là có một lực bí ẩn - năng lựợng tối – lấp đầy vacuum của không gian trống rỗng, thúc đẩy tăng tốc sự dãn nở của vũ trụ. Ta không biết năng lựợng tối là gì, và tồn tại để làm gì. Mặt khác lý thuyết hạt cơ bản cho ta biết là ở mức độ vi mô, ngay cả một vacuum hoàn hảo cũng chứa đầy các cặp hạt lượng tử, có thể là nguồn gốc tự nhiên của năng lựợng tối. Tuy nhiên, tính toán sơ bộ năng lựợng tối sinh bởi vacuum đó lại cho một giá trị 10120 lần lớn hơn giá trị quan sát. Như vậy phải có một quá trình ...