Năm ngoái, thực nghiệm ATLAS tại LHC đã quan sát hai photon, các hạt ánh sáng, va chạm vào nhau và tạo thành hai photon mới. Năm nay, các nhà nghiên cứu đã thực hiện một nghiên cứu tiến thêm một bước xa hơn và khám phá sự sáp nhập và chuyển đổi của các hạt photon thành một thứ khác thú vị hơn nhiều: W boson, các hạt mang lực tương tác yếu, vốn ảnh hưởng đến quá trình phân rã hạt nhân.
Nghiên cứu này không chỉ làm sáng tỏ khái niệm trung tâm của ảnh hưởng đến các quá trình diễn ra bên trong LHC: năng lượng và vật chất là hai mặt của đồng xu. Nó cũng xác nhận tai những mức năng lượng đủ cao, các lực dường như phân tách trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta – điện từ và lực tương tác yếu – đã được hợp nhất.
Từ không khối lượng đến có khối lượng
Nếu cố gắng sao chép thực nghiệm va chạm photon này tại nhàbằng việc bước qua các chùm tia laser, bạn có thể không đủ khả năng tạo ra các hạt có khối lượng mới. Thay vào đó, bạn sẽ thấy hai chùm tia kết hợp để hình thành một chùm tia ánh sáng sáng hơn.
“Nếu anh quay lại và nhìn vào các phương trình điện từ cổ điển của Maxwell, anh sẽ thấy hai sóng va chạm hợp lại thành một sóng lớn hơn”, Simone Pagan Griso, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng Mỹ, nói. “Chúng tôi chỉ thấy hai hiện tượng đó gần đây do ATLAS quan sát khi đặt các phương trình của Maxwell lại với thuyết tương đối hẹp và cơ học lượng tử vào lý thuyết động lực học lượng tử”.
Bên trong máy gia tốc của CERN, các proton được gia tốc đến gần tốc độ ánh sáng. Các dạng thành hình tròn thông thường của chúng bị ép dọc theo hướng chuyển động khi thuyết tương đối hẹp thay thế các định luật chuyển động cổ điển cho các quá trình được thực hiện tại LHC. Cả hai proton mới sẽ được thấy như những chiếc bánh pancake bị nén kèm theo một trường điện từ ép ngang bằng (các proton đều mang điện tích và tất cả các hạt mang điện tích đều có điện từ trường). Năng lượng của LHC tăng cường độ của các điện từ trường của các proton theo hệ số 7500.
Khi hai proton lướt qua nhay, các điện từ trường của chúng giao nhau. Các trường này bỏ qua quy tắc khuếch đại cổ điển vẫn được ứng cho cho các vùng năng lượng thấp, thay vào đó chịu ảnh hưởng của sắc động lực học lượng tử. Thông qua những quy luật mới, hai trường này có thể sáp nhập và trở thành khối lượng trong E=mc².
“Nếu anh đọc phương trình E=mc² từ phải qua trái, anh sẽ thấy một khối lượng nhỏ tạo ra một nguồn năng lượng lớn nhờ hằng số c², vốn là bình phương tốc độ chiếu sáng”, Alessandro Tricoli, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, nơi thực hiện thí nghiệm ATLAS, nơi nhận được đàu tư từ Phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE). “Nhưng nếu như nhìn vào công thức này theo đường khác, anh sẽ thấy là anh cần khởi động với một lượng năng lượng lớn để tạo ra một chút khối lượng”.
LHC là một trong những nơi trên trái đất có thể tạo ra các photon mang năng lượng và cho va chạm nó, và là nơi duy nhất để các nhà khoa học thấy cả hai hoạt động sáp nhập photon mang năng lượng và chuyển đổi thành W bosons có khối lượng.
Sự hợp nhất các lực
Việc tạo ra các W boson từ các photon năng lượng cao minh họa cho phát hiện này đã đem lại Sheldon Glashow, Abdus Salam và Steven Weinberg giải Nobel vật lý năm 1979: tại các mức năng lượng cao, điện từ và lực tương tác yếu hợp nhất thành một.
Điện học và từ học thường được phân tách thành những lực riêng rẽ. Thông thường, người ta không lo về khả năng bị giật khi cầm một miếng nam châm dán tủ lạnh. Và những bóng đèn thậm chí ngay cả khi phát sáng, cũng không kết bám với cánh cửa tủ lạnh. Vậy tại sao các trạm điện lại có gắn các biển cảnh báo về từ trường cao của chúng?
“Một nam châm là một hiển thị về điện từ còn điện học là vấn đề khác”, Tricoli nói. “Nhưng đó là câu chuyện của các sóng điện từ, chúng ta thấy sự hợp nhất đó trong công nghệ mà chúng ta hay sử dụng như điện thoại truyền tin thông sóng điện từ”.
Tại mức năng lượng siêu cao, điện từ kết hợp với lực cơ bản khác, lực tương tác yếu. Tương tác yếu chi phối các chuỗi phản ứng hạt nhân, bao gồm nhiệt hạch hydro thành heli tạo điện từ mặt trời và quá trình phân rã của các nguyên tử phóng xạ.
Chỉ khi các photon mang lực điện từ, các W và Z boson mang lực tương tác yếu. Nguyên nhân là các photon có thể va chạm và tạo ra các hạt W boson tại LHC ở các mức năng lượng cao, những lực đó kết hợp để tạo ra lực điện yếu.
“Cả các photon và W boson đều là những hạt mang điện tích, và chúng đều mang lực điện yếu”, Griso nói. “Hiện tượng này thực sự diễn ra bởi bản chất của nó là cơ học lượng tử”.