Từ thời cổ đại, con người đã luôn đặt câu hỏi: “Vũ trụ này được tạo thành từ cái gì?” và “Điều gì ẩn sâu bên trong mọi thứ mà chúng ta thấy?”. Người Hy Lạp cổ đại từng đưa ra khái niệm nguyên tử (atomos – “không thể chia nhỏ hơn”). Họ tin rằng đây là viên gạch nhỏ nhất của vạn vật. Hơn 1.500 năm sau, nhờ sự tiến bộ của khoa học, loài người đã chứng minh được sự tồn tại của nguyên tử.
Thế nhưng, hành trình tìm kiếm “hạt nhỏ nhất” chưa bao giờ dừng lại. Chúng ta phát hiện ra nguyên tử bao gồm proton, neutron và electron, rồi lại khám phá rằng proton và neutron cũng được cấu thành từ những hạt nhỏ hơn gọi là quark. Mỗi lần chúng ta tiến sâu hơn vào thế giới vi mô, một tầng bí ẩn mới lại mở ra.
Ngày nay, nhiều nhà vật lý tin rằng bên dưới những hạt cơ bản mà chúng ta biết còn tồn tại các hạt hoặc cấu trúc lý thuyết khác. Một số đã được chứng minh, một số chỉ tồn tại trên giấy tờ và trong phương trình. Nhưng tất cả chúng đều có thể thay đổi hoàn toàn hiểu biết của nhân loại về vũ trụ. Dưới đây là 10 loại “hạt” mà giới khoa học cho rằng có thể giúp giải thích toàn bộ mọi thứ.
1. Strangelet – “hạt hủy diệt” hạt của proton và neutron
Quark là hạt cơ bản tạo nên proton và neutron. Chúng xuất hiện trong sáu “loại” (flavors) khác nhau: up, down, charm, strange, top, bottom. Trong đó, proton gồm hai quark up và một quark down, còn neutron gồm hai quark down và một quark up.
Điều thú vị là quark không tồn tại đơn lẻ trong tự nhiên. Chúng luôn “dính” lại với nhau nhờ lực mạnh (strong force), truyền qua các hạt gọi là gluon. Chính đặc điểm này khiến việc nghiên cứu quark vô cùng khó khăn — chúng ta chỉ có thể quan sát chúng gián tiếp qua các thí nghiệm va chạm hạt năng lượng cao.Trong 6 loại quark đã biết, quark up và quark down là phổ biến nhất, trong khi quark strange ít gặp hơn. Khi quark strange kết hợp với quark up hoặc quark down, chúng tạo thành một cấu trúc gọi là strangelet – thành phần của “vật chất strange”.
Strangelet có thể hình thành khi lõi của sao neutron sụp đổ, tạo áp lực khổng lồ ép electron và proton vào nhau, buộc các quark liên kết lại thành vật chất strange. Một khi xuất hiện, strangelet có thể biến đổi hạt nhân của nguyên tử thường thành strangelet, gây phản ứng dây chuyền phá hủy toàn bộ vật chất xung quanh.
Thậm chí, khi xây dựng Máy gia tốc hạt LHC, từng có lo ngại rằng thiết bị này có thể tạo ra strangelet và dẫn tới thảm họa toàn cầu.
Các nhà khoa học tin rằng việc hiểu rõ hơn về quark sẽ mở đường cho việc giải mã cấu trúc của vật chất và các giai đoạn đầu tiên của vũ trụ sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang).
2. Sparticle – hạt siêu đối xứng
Lý thuyết siêu đối xứng (SUSY) dự đoán rằng mọi hạt cơ bản đều có một “đối tác” song song gọi là sparticle (superpartner). Nếu chúng ta biết hơn 60 loại hạt cơ bản, thì trong lý thuyết này, cũng tồn tại 60 hạt siêu đối xứng tương ứng.
Tuy nhiên, chưa có sparticle nào được quan sát trực tiếp. Một giải thích khả dĩ là các sparticle rất nặng, và theo quy luật phân rã hạt, hạt càng nặng thì tuổi thọ càng ngắn – đến mức chúng biến mất gần như ngay sau khi hình thành.
Điểm thú vị: nhiều nhà vật lý cho rằng vật chất tối – thứ chiếm khoảng 27% khối lượng vũ trụ nhưng vô hình – có thể chính là tập hợp các sparticle. Nếu tìm ra sparticle, chúng ta có thể mở ra chìa khóa giải mã vật chất tối.
3. Antiparticle – phản hạt
Phản hạt là “bản sao đối xứng” của hạt bình thường, giống hệt về khối lượng nhưng mang điện tích trái dấu. Khi hạt và phản hạt gặp nhau, chúng hủy lẫn nhau, giải phóng năng lượng khổng lồ.
Thực tế, phản hạt không còn là giả thuyết – chúng đã được tạo ra trong phòng thí nghiệm, ví dụ positron (phản electron). Tuy nhiên, một bí ẩn lớn là tại sao trong vũ trụ hiện nay, vật chất chiếm ưu thế áp đảo, trong khi phản vật chất gần như vắng bóng.
Một số giả thuyết còn táo bạo hơn: có thể tồn tại một phản vũ trụ song song, nơi mọi thứ đều được tạo từ phản hạt.
4. Graviton – hạt hấp dẫn
Trong mô hình chuẩn của vật lý hạt, các lực cơ bản được truyền qua các “hạt mang lực”: photon (lực điện từ), gluon (lực mạnh), boson W và Z (lực yếu). Nếu áp dụng tương tự, lực hấp dẫn – yếu hơn nhiều nhưng tác động trên phạm vi vô hạn – cũng có thể được truyền qua một hạt: graviton.
Graviton, nếu tồn tại, sẽ không có khối lượng, mang spin = 2, và đóng vai trò cầu nối giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử. Việc phát hiện graviton sẽ là bước tiến khổng lồ hướng tới “lý thuyết thống nhất” – một công thức duy nhất mô tả mọi lực trong vũ trụ.
5. Graviphoton – Hạt Từ Chiều Thứ Năm
Dựa trên lý thuyết Kaluza–Klein, nếu không–thời gian có hơn 4 chiều, lực hấp dẫn và lực điện từ có thể là hai khía cạnh của cùng một “siêu lực”. Trong trường hợp này, một hạt mới – graviphoton – có thể xuất hiện khi trường hấp dẫn bị kích thích trong chiều thứ năm.
Graviphoton vừa mang tính chất của graviton (truyền lực hấp dẫn) vừa mang đặc điểm của photon (truyền lực điện từ). Nếu tìm ra, nó sẽ chứng minh rằng vũ trụ có nhiều chiều hơn chúng ta cảm nhận.
6. Preon – ứng viên hạt cơ bản hơn quark
Quark vốn được xem là thành phần nhỏ nhất tạo nên proton và neutron, nhưng một số lý thuyết cho rằng quark có thể được cấu tạo từ các hạt còn nhỏ hơn – preon.
Nếu được chứng minh, preon sẽ mở ra hàng loạt hướng nghiên cứu mới, giải thích những khác biệt lớn về khối lượng và điện tích giữa các hạt, cũng như góp phần giải mã vật chất tối.
7. Tachyon – hạt vượt tốc ánh sáng
Tachyon là hạt giả thuyết có vận tốc luôn lớn hơn tốc độ ánh sáng. Nếu tồn tại, chúng sẽ phá vỡ “giới hạn tốc độ” của Einstein.
Đặc điểm kỳ lạ: hạt cơ bản muốn tăng tốc cần nhiều năng lượng, nhưng tachyon muốn giảm tốc lại cần năng lượng – và để giảm xuống tốc độ ánh sáng, năng lượng yêu cầu là vô hạn.
8. Lý thuyết dây (String Theory)
Khác với quan niệm hạt là điểm, lý thuyết dây cho rằng mọi hạt đều là những sợi dây một chiều dao động. Cách dao động của dây quyết định loại hạt mà nó tạo thành – chuỗi mở có thể tạo photon, chuỗi khép kín có thể tạo graviton.
Lý thuyết dây hướng tới thống nhất tất cả các hạt và lực cơ bản, đồng thời dự đoán sự tồn tại của nhiều chiều không gian hơn 3 chiều chúng ta quen thuộc.
9. Lý thuyết màng (Brane Theory / M-theory)
Brane là mở rộng của lý thuyết dây: ngoài dây một chiều (1-brane), còn có màng hai chiều (2-brane), ba chiều (3-brane)… và có thể nhiều chiều hơn nữa. Theo đó, vũ trụ chúng ta có thể chỉ là một “màng” nổi trong không gian đa chiều.
Lý thuyết này dẫn tới ý tưởng đa vũ trụ tuần hoàn: vũ trụ giãn nở từ Big Bang, rồi co lại thành Big Crunch, rồi lại nổ ra Big Bang mới, cứ thế lặp lại.
10. Hạt Higgs – “Hạt của Chúa”
Higgs boson, được tìm thấy vào năm 2012 tại LHC, là mảnh ghép còn thiếu của mô hình chuẩn. Nó liên quan đến trường Higgs – một trường lượng tử tràn ngập không gian, cung cấp khối lượng cho các hạt cơ bản.
Tên “hạt của Chúa” thực ra là sự hiểu nhầm từ “goddamn particle” (“hạt chết tiệt”) vì khó tìm thấy. Việc xác nhận Higgs boson đã củng cố vững chắc mô hình chuẩn, nhưng đồng thời mở ra hàng loạt câu hỏi mới về bản chất của trường Higgs và mối liên hệ của nó với vật chất tối.
Mặc dù nhiều loại hạt trong danh sách này chưa từng được nhìn thấy, việc nghiên cứu chúng không chỉ là bài tập trí tuệ. Chúng có thể nắm giữ chìa khóa để:
- Giải thích vật chất tối và năng lượng tối.
- Thống nhất các lực cơ bản.
- Hiểu rõ sự ra đời và số phận cuối cùng của vũ trụ.
Từ những nguyên tử của người Hy Lạp cổ đại đến các hạt giả thuyết như strangelet hay graviphoton, hành trình khám phá “viên gạch” cơ bản của thế giới là minh chứng rằng trí tò mò của con người không có giới hạn. Và biết đâu, một ngày nào đó, một trong những hạt này sẽ thay đổi hoàn toàn cách chúng ta hiểu về sự tồn tại của chính mình.
