Tại sao lực tương tác yếu và mạnh lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?


Trong vài thế kỷ trở lại đây, hầu hết các nhà khoa học đều cho rằng lực hút và lực điện từ luôn thống trị vũ trụ. Các nhà vật lý học thế kỷ XX phát hiện nhân nguyên tử do các hạt proton mang điện tích dương cấu tạo thành. Tại sao các hạt proton lại không bị bắn ra ngoài khi điện tích dương đẩy nhau? Và tại sao tính phóng xạ của một vài nguyên tử lại tự nhiên yếu đi trong khi những nguyên tử khác lại không?


Rất nhiều nhà vật lý học đã đưa ra hai loại lực tác dụng mới (lực mạnh và lực yếu). Năm 1935, Hideki Yukawa đã phát hiện ra lực tác dụng mạnh. Cho đến năm 1983, Carlo Rubbia mới phát hiện ra hai loại hạt có lực tác dụng yếu.


Thế giới lượng tử vi mô và quần thể các thiên hà đều chịu sự chi phối và điều khiển của bốn loại lực. Nhưng phát hiện trên đã giúp con người nhận thức một cách đầy đủ về bốn loại lực. Yếu tố cơ bản cấu thành nên vật lý lượng tử đó là lực tác dụng yếu và mạnh.


Lực tương tác yếu và mạnh được phát hiện ra như thế nào?


Năm 1666, Newton đã dùng phương pháp số học để xác định lực hấp dẫn. Vào đầu thế kỷ thứ XIX, Faraday, Oersted, và Maxwell xác định được lực điện từ. Các nhà khoa học đều cho rằng hai loại lực này cai quản toàn vũ trụ.


Các nhà vật lý học ở thế kỷ XX nhận ra rằng hai loại lực này không có khả năng giữ vững được một nguyên tử. Sự đẩy nhau giữa các hạt có cùng điện tích dương (proton) sẽ phá tan nhân nguyên tử, vậy làm sao nhân nguyên tử và nguyên tử có thể tồn tại được? Một số nhà khoa học khác lại cho rằng có một loại lực nào đó đã gây ra sự yếu đi của hạt nhân mang tính phóng xạ.


Cuối cùng, các nhà khoa học khẳng định bằng lý luận về sự tồn tại của hai loại lực mới: lực tác dụng yếu (giữ hoàn chỉnh nhân nguyên tử) và lực tác dụng mạnh (làm cho tính phóng xạ yếu đi). Mặc dù có rất nhiều người tìm kiếm hai loại lực này nhưng cho đến cuối những năm 30 của thế kỷ XX thì mọi nỗ lực tìm kiếm và chứng minh sự tồn tại của chúng đều không cho kết quả mong đợi.


Năm 1936, Carlo Rubbia đưa ra suy luận: Mặc dù chưa từng chứng minh được sự tồn tại của hai loại tác dụng yếu và mạnh này, nhưng chắc chắn phạm vi hoạt động của chúng nhỏ hơn đường kính của một nguyên tử (cho nên sẽ không thể tìm thấy chúng ngoài phạm vi nhỏ bé này). Thế là ông bắt đầu làm một loạt các thí nghiệm, ông dùng nơtron tiến hành quá trình va đập với một lực rất mạnh vào proton (nhân nguyên tử heli), và quan sát xem kết quả của quá trình va đập có cung cấp cho ông yếu tố nào để chứng minh nguyên lý của lực tác dụng mạnh hay không.


Yukawa phát hiện ra các hạt hạ nguyên tử có tên là meson (một loại của gluon) không ngừng được sinh ra trong quá trình va đập. Loại hạt này rất lớn, tuổi thọ ngắn. Điều này có nghĩa rằng trong nhân nguyên tử có sự tồn tại của hạt meson.


Yukawa kết luận các hạt meson là đại diện cho sức hút của các lực tương tác mạnh. Ông để ý rằng các hạt photon (tiêu biểu cho lực điện từ) và hạt graviton (tiêu biểu cho lực hấp dẫn) trên thực tế lại không hề có khối lượng. Từ đó ông suy luận khối lượng của các hạt nhỏ bé này càng lớn thì cự ly tác động của nó càng ngắn.


Yukawa còn chỉ ra rằng lực tác dụng mạnh trong phạm vi nhỏ đến từ sự trao đổi qua lại của số lượng lớn các meson trong nơtron và proton. Yukawa mặc dù có thể miêu tả sự tồn tại của meson tiêu biểu cho lực tác dụng mạnh, nhưng lại không thể tạo ra meson bằng phương pháp vật lý.


Năm 1947, Lattes, Muirhead, Occhialini, và Powell đã thực hiện thí nghiệm: ở độ cao cách mặt nước biển 3.000m đặt một máy chụp ảnh nhũ tương. Những nhũ tương này tạo ra những meson rất phù hợp với yêu cầu của Yukawa.

Ngày nay chúng ta đã biết những meson nói trên, chúng được gọi là những hạt gluon nhỏ bé. Chúng ta còn biết được rằng, lực tác dụng mạnh là kết quả của quá trình trao đổi giữa các vi lượng (hạt hạ nguyên tử được cấu tạo bởi proton và notron).


Thông qua những phát hiện thực tế cho thấy rất khó có sự tồn tại của lực tác dụng yếu. Năm 1983, Carlo Rubbia làm việc tại tổ chức nghiên cứu hạt nhân nguyên tử châu Âu (CENR) thuộc trung tâm nghiên cứu châu Âu, ông là người đầu tiên phát hiện ra bằng chứng có thể chứng minh sự tồn tại của lực tác dụng yếu. Vào những năm 70 của thế kỷ XX, ông đã tính ra được tính chất vật lý và kích thước của các hạt mang lực tác dụng yếu. Sau đó ông cùng với nhóm nghiên cứu của tổ chức CENR bắt đầu tìm kiếm những hạt mất tích này.


Rubbia đề nghị CERN cải tiến đồng bộ các máy gia tốc để làm cho các proton và antiproton có thể va đập chính diện và giải phóng đủ năng lượng làm xuất hiện các boozon. Năm 1983, ông sử dụng phương pháp ly tâm để tách thành hai loại hạt có tuổi thọ ngắn, đó là hạt W và hạt Z. Rubbia chứng minh rằng hai loại hạt này chính là hạt mang lực tác dụng yếu làm suy yếu tính phóng xạ của nguyên tử.


Cuối cùng con người cũng khám phá ra bốn loại lực cơ bản trong giới tự nhiên (và các hạt mang và sinh ra lực này), hoàn thành mô hình chuẩn vật lý học đưa các nhà vật lý học bước vào thế kỷ XXI.

schoolnet