Hạt siêu đối xứng (Superpartner)

Hạt siêu đối xứng (superpartner), còn được gọi là spartner, là một loại hạt giả thuyết được tiên đoán bởi lý thuyết siêu đối xứng (SUSY). Lý thuyết này mở rộng Mô hình Chuẩn của vật lý hạt bằng cách đưa ra một đối xứng cơ bản mới gọi là siêu đối xứng. Siêu đối xứng liên kết mỗi hạt cơ bản đã biết với một hạt đối tác, gọi là superpartner.

Khái niệm cốt lõi:

Đối xứng: Trong vật lý, đối xứng mô tả sự bất biến của một hệ thống dưới một phép biến đổi nào đó. Ví dụ, đối xứng quay nghĩa là một hệ thống trông vẫn như cũ khi xoay quanh một trục.
Siêu đối xứng: Là một đối xứng liên hệ giữa fermion (hạt vật chất cơ bản như electron, quark) và boson (hạt truyền tương tác như photon, gluon). Nói cách khác, nó biến đổi fermion thành boson và ngược lại. Mỗi hạt fermion có một superpartner là boson, và mỗi hạt boson có một superpartner là fermion.
Superpartner: Mỗi hạt trong Mô hình Chuẩn được gán cho một superpartner. Ví dụ, superpartner của electron là selectron (một boson), superpartner của quark là squark (một boson), superpartner của photon là photino (một fermion), và superpartner của gluon là gluino (một fermion). Cho đến nay, chưa có superpartner nào được quan sát bằng thực nghiệm. Việc tìm kiếm các hạt superpartner là một trong những mục tiêu chính của các thí nghiệm vật lý năng lượng cao, như tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC). Nếu được phát hiện, các hạt superpartner sẽ cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho lý thuyết siêu đối xứng và mở ra một kỷ nguyên mới trong sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.

Danh pháp và Tính chất của Hạt Superpartner

Superpartner của các hạt được đặt tên theo cách sau:

Sfermion: Superpartner của fermion. Tên của sfermion được tạo bằng cách thêm tiền tố “s” vào tên của fermion tương ứng. Ví dụ:
- Selectron (superpartner của electron)
- Squark (superpartner của quark)
- Sneutrino (superpartner của neutrino)
Bosino: Superpartner của boson. Tên của bosino được tạo bằng cách thêm hậu tố “ino” vào tên của boson tương ứng. Ví dụ:
- Photino (superpartner của photon)
- Gluino (superpartner của gluon)
- Wino và Zino (superpartner của boson W và Z)
- Higgsino (superpartner của boson Higgs)
Neutralino: Là một hỗn hợp tuyến tính của photino, zino và higgsino trung hòa về điện tích. Nó được coi là một ứng cử viên sáng giá cho vật chất tối.
Chargino: Là một hỗn hợp tuyến tính của wino và higgsino mang điện tích.

Tính chất của superpartner:

Khối lượng: Một trong những dự đoán quan trọng của SUSY là superpartner có khối lượng lớn hơn hạt đối tác của chúng. Đây là lý do tại sao chúng chưa được quan sát thấy trong các thí nghiệm.
Spin: Spin của superpartner khác với spin của hạt đối tác một nửa đơn vị. Ví dụ, electron (spin 1/2) có superpartner là selectron (spin 0).
Số lượng tử bảo toàn: Superpartner mang cùng số lượng tử bảo toàn (như điện tích, số baryon, số lepton) với hạt đối tác, ngoại trừ spin.

Ý nghĩa của việc tìm kiếm Superpartner

Việc phát hiện ra superpartner sẽ có ý nghĩa sâu sắc đối với vật lý hạt cơ bản:

Xác minh SUSY: Nó sẽ là bằng chứng trực tiếp cho sự tồn tại của siêu đối xứng.
Giải quyết vấn đề Hierarchy: SUSY cung cấp một lời giải thích tự nhiên cho vấn đề Hierarchy, liên quan đến sự chênh lệch lớn giữa thang năng lượng điện yếu và thang năng lượng Planck.
Ứng cử viên cho vật chất tối: Một số superpartner, đặc biệt là neutralino, là ứng cử viên tiềm năng cho vật chất tối, một dạng vật chất bí ẩn chiếm phần lớn khối lượng trong vũ trụ.
Hướng tới một lý thuyết thống nhất: SUSY là một bước tiến quan trọng hướng tới việc xây dựng một lý thuyết thống nhất, kết hợp tất cả các lực cơ bản của tự nhiên, bao gồm cả lực hấp dẫn.

Tình trạng hiện tại của việc Tìm kiếm Superpartner

Mặc dù SUSY là một lý thuyết hấp dẫn, chưa có bằng chứng thực nghiệm nào về sự tồn tại của superpartner. Các thí nghiệm tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) đang tích cực tìm kiếm superpartner, và việc tìm kiếm này sẽ tiếp tục trong tương lai.

Siêu đối xứng và Mô hình Chuẩn Siêu đối xứng Tối thiểu (MSSM)

Mô hình Chuẩn Siêu đối xứng Tối thiểu (MSSM) là mô hình đơn giản nhất mở rộng Mô hình Chuẩn bằng cách kết hợp siêu đối xứng. MSSM dự đoán sự tồn tại của tất cả các superpartner đã được đề cập ở trên. Một điểm quan trọng cần lưu ý là MSSM giới thiệu ít nhất hai doublet trường Higgs, trái ngược với chỉ một doublet trong Mô hình Chuẩn. Điều này dẫn đến sự tồn tại của năm hạt Higgs: hai hạt Higgs trung hòa CP-chẵn (h, H), một hạt Higgs trung hòa CP-lẻ (A) và hai hạt Higgs mang điện (H+, H-). Superpartner của chúng là các higgsino tương ứng.

Phá vỡ Siêu đối xứng

Nếu siêu đối xứng là một đối xứng hoàn hảo của tự nhiên, thì superpartner sẽ có cùng khối lượng với hạt đối tác của chúng. Tuy nhiên, chúng ta chưa quan sát thấy bất kỳ superpartner nào. Điều này ngụ ý rằng nếu siêu đối xứng tồn tại, nó phải bị phá vỡ ở một thang năng lượng nào đó. Cơ chế phá vỡ siêu đối xứng vẫn là một câu hỏi mở trong vật lý hạt. Nhiều mô hình khác nhau đã được đề xuất, bao gồm phá vỡ siêu đối xứng qua trung gian gauge, phá vỡ siêu đối xứng qua trung gian ẩn số (hidden sector supersymmetry breaking). Việc phá vỡ siêu đối xứng dẫn đến việc superpartner có khối lượng lớn hơn hạt đối tác của chúng.

Tìm kiếm Superpartner tại LHC

Các thí nghiệm tại LHC đang tích cực tìm kiếm superpartner. Các quá trình tìm kiếm tập trung vào việc tìm kiếm các dấu hiệu đặc trưng của sự sản sinh và phân rã của superpartner. Ví dụ, một quá trình điển hình có thể liên quan đến việc sản sinh một cặp squark, sau đó phân rã thành quark và neutralino. Neutralino, do là hạt trung hòa và tương tác yếu, sẽ thoát khỏi detector mà không bị phát hiện, dẫn đến năng lượng “thiếu” trong sự kiện. Đây là một dấu hiệu quan trọng được sử dụng trong việc tìm kiếm superpartner.

Siêu đối xứng và Vật chất Tối

Như đã đề cập, neutralino nhẹ nhất là một ứng cử viên hấp dẫn cho vật chất tối. Nếu neutralino tồn tại và có khối lượng phù hợp, nó có thể giải thích cho mất độ vật chất tối quan sát được trong vũ trụ. Việc tìm kiếm vật chất tối thông qua các thí nghiệm trực tiếp và gián tiếp cũng cung cấp một cách khác để kiểm tra SUSY.

Siêu trọng trường (Supergravity)

Siêu đối xứng có thể được mở rộng để bao gồm cả lực hấp dẫn, dẫn đến lý thuyết siêu trọng trường. Trong siêu trọng trường, superpartner của graviton (hạt truyền tương tác hấp dẫn) là gravitino, một fermion có spin 3/2.

Tóm tắt về Hạt siêu đối xứng

Siêu đối xứng (SUSY) là một lý thuyết hấp dẫn mở rộng Mô hình Chuẩn của vật lý hạt bằng cách đưa ra một đối xứng cơ bản mới. Đối xứng này liên hệ các fermion (hạt vật chất) và boson (hạt truyền tương tác), dự đoán sự tồn tại của các hạt đối tác được gọi là superpartner cho mỗi hạt đã biết. Superpartner của fermion là boson (gọi là sfermion), và superpartner của boson là fermion (gọi là bosino). Ví dụ, electron có superpartner là selectron (sfermion), và photon có superpartner là photino (bosino).

Một điểm quan trọng cần nhớ là nếu SUSY tồn tại, nó phải bị phá vỡ. Sự phá vỡ siêu đối xứng giải thích tại sao chúng ta chưa quan sát thấy superpartner, vì nó khiến chúng có khối lượng lớn hơn nhiều so với hạt đối tác. Các cơ chế phá vỡ SUSY rất đa dạng và vẫn đang được nghiên cứu tích cực.

MSSM (Mô hình Chuẩn Siêu đối xứng Tối thiểu) là mô hình đơn giản nhất hiện thực hóa SUSY. Nó dự đoán một loạt các superpartner mới, bao gồm squark, slepton, gluino, wino, zino, photino và các higgsino. Neutralino nhẹ nhất, một hỗn hợp của photino, zino và higgsino trung hòa, thường được coi là một ứng cử viên sáng giá cho vật chất tối.

Việc tìm kiếm superpartner là một trong những mục tiêu chính của các thí nghiệm tại LHC. Việc phát hiện ra các hạt này sẽ là một bước đột phá trong vật lý hạt, xác nhận SUSY và cung cấp những hiểu biết sâu sắc về các câu hỏi cơ bản như vấn đề hierarchy và bản chất của vật chất tối. Mặc dù cho đến nay vẫn chưa có bằng chứng thực nghiệm trực tiếp về sự tồn tại của superpartner, việc tìm kiếm vẫn đang tiếp diễn, và các thí nghiệm trong tương lai có thể làm sáng tỏ sự tồn tại của những hạt bí ẩn này.

Tài liệu tham khảo:

Martin, Stephen P. (1997). “A Supersymmetry Primer”. Advanced Series on Directions in High Energy Physics. 18: 1–98. arXiv:hep-ph/9709356.
Nilles, Hans Peter (1984). “Supersymmetry, Supergravity and Particle Physics”. Physics Reports. 110 (1–2): 1–162.
Haber, Howard E.; Kane, Gordon L. (1985). “The Search for Supersymmetry: Probing Physics Beyond the Standard Model”. Physics Reports. 117 (2–4): 75–263.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao siêu đối xứng được coi là một ứng cử viên sáng giá để giải quyết vấn đề hierarchy?

Trả lời: Vấn đề hierarchy đề cập đến sự chênh lệch lớn giữa thang năng lượng điện yếu (khoảng 100 GeV) và thang năng lượng Planck (khoảng $10^{19}$ GeV). Trong Mô hình Chuẩn, khối lượng của boson Higgs nhận được các hiệu chỉnh lượng tử rất lớn từ các vòng lặp ảo liên quan đến các hạt nặng hơn, đẩy khối lượng của nó lên đến thang Planck. Siêu đối xứng giải quyết vấn đề này bằng cách đưa ra các superpartner. Các vòng lặp liên quan đến superpartner triệt tiêu chính xác các hiệu chỉnh lượng tử từ các hạt Mô hình Chuẩn, giữ cho khối lượng của boson Higgs ở thang năng lượng điện yếu.

Neutralino là gì và tại sao nó được coi là ứng cử viên tiềm năng cho vật chất tối?

Trả lời: Neutralino là một superpartner trung hòa về điện tích, là hỗn hợp tuyến tính của photino, zino, và higgsino trung hòa. Nó ổn định trong nhiều mô hình SUSY và tương tác yếu với vật chất thông thường, giống như những gì được mong đợi từ vật chất tối. Khối lượng và các tính chất tương tác của neutralino phù hợp với các quan sát vũ trụ về vật chất tối.

Làm thế nào các thí nghiệm tại LHC tìm kiếm superpartner?

Trả lời: LHC tìm kiếm superpartner bằng cách tạo ra các va chạm proton-proton năng lượng cao. Nếu superpartner tồn tại, chúng có thể được tạo ra trong các va chạm này. Các thí nghiệm sau đó tìm kiếm các dấu hiệu đặc trưng của sự phân rã của superpartner, chẳng hạn như năng lượng thiếu do các hạt trung hòa như neutralino thoát khỏi detector mà không bị phát hiện, hoặc sự xuất hiện của các hạt có spin và điện tích cụ thể.

Sự khác biệt chính giữa Mô hình Chuẩn và Mô hình Chuẩn Siêu đối xứng Tối thiểu (MSSM) là gì?

Trả lời: Sự khác biệt chính nằm ở việc MSSM mở rộng Mô hình Chuẩn bằng cách kết hợp siêu đối xứng. Điều này dẫn đến sự tồn tại của các superpartner cho tất cả các hạt Mô hình Chuẩn. Ngoài ra, MSSM yêu cầu ít nhất hai doublet trường Higgs, trái ngược với chỉ một doublet trong Mô hình Chuẩn, dẫn đến 5 hạt Higgs vật lý.

Nếu superpartner không được tìm thấy tại LHC, điều đó có nghĩa là siêu đối xứng không tồn tại?

Trả lời: Không nhất thiết. Việc không quan sát thấy superpartner tại LHC chỉ loại trừ một số vùng tham số nhất định của các mô hình SUSY, chẳng hạn như các mô hình với superpartner có khối lượng thấp. Các mô hình SUSY với superpartner nặng hơn vẫn có thể tồn tại và có thể được khám phá trong các thí nghiệm tương lai với năng lượng cao hơn hoặc độ nhạy tốt hơn. Hoặc cũng có thể siêu đối xứng không phải là câu trả lời cho các vấn đề của Mô hình Chuẩn.

Một số điều thú vị về Hạt siêu đối xứng

Nếu siêu đối xứng đúng, chúng ta chỉ mới khám phá được một nửa số hạt cơ bản: Mỗi hạt mà chúng ta biết đều có một “người anh em song sinh” siêu đối xứng nặng hơn mà chúng ta chưa tìm thấy. Điều này giống như việc khám phá một lục địa mới trong thế giới hạt cơ bản.
Superpartner có thể giải thích bí ẩn vật chất tối: Neutralino, một superpartner giả thuyết, là một ứng cử viên hàng đầu cho vật chất tối, loại vật chất bí ẩn chiếm phần lớn khối lượng trong vũ trụ nhưng không tương tác với ánh sáng.
Siêu đối xứng có thể giúp thống nhất các lực cơ bản của tự nhiên: Nó có tiềm năng liên kết lực mạnh, lực yếu và lực điện từ, đưa chúng ta đến gần hơn với một “lý thuyết vạn vật” (Theory of Everything).
Tên gọi “squark” và “slepton” nghe có vẻ kỳ lạ, nhưng chúng có nguồn gốc logic: Chúng được đặt tên bằng cách thêm chữ “s” vào đầu tên quark và lepton tương ứng, thể hiện bản chất “siêu đối xứng” của chúng.
Việc tìm kiếm superpartner đang diễn ra tại LHC, máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới: Các nhà khoa học đang phân tích dữ liệu từ các va chạm năng lượng cao để tìm kiếm dấu vết của những hạt khó nắm bắt này. Mỗi khi năng lượng va chạm tăng lên, hy vọng tìm thấy superpartner cũng tăng theo.
Mặc dù chưa tìm thấy superpartner, SUSY vẫn là một lý thuyết hấp dẫn: Nó giải quyết được một số vấn đề lý thuyết của Mô hình Chuẩn và mang đến những dự đoán thú vị có thể kiểm chứng được bằng thực nghiệm.
Nếu superpartner được tìm thấy, nó sẽ là một cuộc cách mạng trong vật lý: Nó sẽ không chỉ xác nhận SUSY mà còn mở ra một kỷ nguyên mới trong việc tìm hiểu vũ trụ ở cấp độ cơ bản nhất. Nó có thể thay đổi hoàn toàn hiểu biết của chúng ta về vật chất, năng lượng và các lực cơ bản.
Một số mô hình siêu đối xứng dự đoán sự tồn tại của nhiều hơn một boson Higgs: Trong khi Mô hình Chuẩn chỉ dự đoán một boson Higgs, SUSY có thể dự đoán tới 5 loại boson Higgs khác nhau, thêm vào sự phức tạp và thú vị cho lý thuyết.