GIẢI NOBEL VẬT LÝ 1995
Giải NobelVật lý năm 1995được traocho giáo sư người Mỹ MartinL. Perl
tại Đạihọc Stanfordở Stanford (California,Mỹ)“do phátminh ra leptontau”và
giáo sư người Mỹ Frederick Reinestại Đại học Californiaở Irvine(California,Mỹ)
“do khám phára neutrino”. Hai nhà khoa học Mỹ đã có những đóng góp thực
nghiệmmở đầu cho vật lý lepton.
Loài ngườiluôn luôn phải tìm lờigiải đáp chocác câu hỏi mang tính triết
học và vật lý như “vũ trụ bao gồmnhữngcái gì?”,“Các thành phần nhỏ nhất của vũ
trụ là gì và chúngcó những tính chất như thế nào?”, “Chúng có thể cung cấpcho
chúng ta điều gì về lịch sử của vũ trụ vàtương lai của nó?”.v.v Perl và Reinesđã
pháthiện ra hai hạt cơ bản dưới nguyên tử đáng chú ý nhất của tự nhiên.
Perl và các cộngsự thông qua mộtloạt các thựcnghiệmtiến hànhtừ năm
1974 đến năm1977 tại Trungtâmmáy gia tốcthẳng Stanford(SLAC)ở Mỹ đã phát
hiện rarằng electroncó khối lượngnặng hơnkhoảng 3 500lần sovới một hạt gọi
là tau.
Reinescùng với Clyde L. Cowan trong những năm1950 đã có những đóng
góp mở đầumà chúngdẫn đến chứng minhthựcnghiệm của họ về sự tồn tại của
phản neutrinocủa electron.
Các nhàvật lý tinrằng toàn bộ vật chất như vật chất trong các cơ thể riêng
của chúngta bao gồm cácquark vàlepton. Quarklà hạt nặng và lepton là hạt nhẹ.
Có hai loại quarkmà chúng được coinhư các viên gạch xây dựng của hạt nhân
nguyêntử. Leptonở bên ngoài hạt nhân nguyên tử và cũng gồm hailoại là electron
có điện tích và khối lượng đo đượcvà neutrinokhông có điện tích vàkhối lượng.
Họ quark-lepton này gồmbốn thành viênvà đủ để cấuthànhtoàn bộ vật chất
trong vũ trụ hiện nay.
Vũ trụ đã có một lịch sử lâu dài. Trongcác giaiđoạn banđầu của nó, các điều
kiệncực kỳ khác với các điều kiện bây giờ. Khi đó, nhiệt độ rất cao và mật độ năng
lượng rất lớn.Các điềukiện khí hậu thời tiết như thế đã làm nảysinh các họ quark-
leptonkhác. Nhờ cácmáy giatốc, các nhàvật lý đã tái tạo trong nhữngkhoảngthời
gian ngắn những điềukiện giống như nhữngđiều kiện trongcác giaiđoạn ban đầu
của vũ trụ. Trong những điều kiệnnhư thế, có thể xuất hiện họ quark-leptonthứ

hai và thậm chí cả họ quark-leptonthứ ba. Chỉ có ba họ quark-lepton trongvũ trụ.
Các nhà vật lý đã chứngminh rằngkhông có họ thứ tư củacác quarkvà lepton
trong vật lý hạtcơ bản.
Một loạt phátminh tạo ra nền tảngcho mô hình ba họ quark-lepton.Hai
trong số các phát minh này đã được nhậnGiải NobelVật lý năm 1995và đều liên
quan đến phátminh ra các lepton trong đó một lepton thuộc về họ quark-lepton
thứ nhấtvà một lepton thuộc về họ quark-lepton thứ ba. Cả haiphát minhnày đưa
ra các câu trả lờicho các câu hỏi cơ bản và sâu sắc trong vật lý.
Phát minhtau của Perl làdấu hiệu đầutiên về sự tồn tại của“họ” thứ ba của
các viên gạch xây dựng cơ bản. Một vài năm sauđó, người ta phát hiện thấy một
viên gạch xây dựngkhác là quarkđáy(bottomquark)- mộttronghaiquarkcủahọ.
Không đến 18năm sau,người ta phát hiệnra quark khác gọilà quarrk đỉnh (top
quark). Sự tồntại của họ thứ balà rất quantrọng đốivới lòng tin của các nhà vật lý
về mô hìnhlý thuyết hiện nayđể hiểu cáctính chất của các thành phần nhỏ nhất
của tự nhiên. Mô hình này được gọi là mô hìnhchuản. Nếu không có họ thứ ba, mô
hình chuẩn sẽ khônghoàn chỉnh và không thể thừa nhận cái gọi là viphạm điện
tích (charge) vàtính chẵn lẻ (parity)(gọi chung là vi phạm CP) . Sự vi phạm CP là
một nguyên lý đốixứng cơ bản mà nó chẳng hạn quiđịnh sự phan rã hạt. Nhờ phát
hiện ravi phạmnày, Croninvà Fitchđược trao Giải NobelVật lý năm1980. Nếu
pháthiện ra mộthọ thứ tư của các quark và lepton,điều nàycó nghĩa là mô hình
chuẩn cần phải được xemxét lạivà cần xây dựng lại vật lýhạt cơ bản một cách
tổng quát hơn.
Cùng với Clyde L. Cowan về sau, Reinesđã dò được neutrino- leptonchị em
với electrontronghọ quark-lepton thứ nhất thậm chí trướckhi đuara khái niệm
họ. Phát minhnày đã được chờ đợi từ lâu. Trong gần 25 năm, các nhà vạtlý chờ
đợi một người nào đó thực hiện được kỳ công này.Trong lúc ấy,neutrino là mộtsự
tưởng tượngcủa các nhàvật lý để “cứu vớt”định luậtbảo toànnăng lượngtrong
các loạiphân rã phóng xạ nào đó. Nhưng dườngnhư không thể xác minh sự tồn tại
thực tế của neutrino.
Quan sát neutrinođầu tiên của Reinesvà Cowanlà một đóng góp mở dầu và

đónggóp này mở ra vùng củacácthực nghiệm neutrino“khôngthể làmđược”.
Hiện nay,chúngta đang cố gắng bẫy bắt các neutrino trong bứcxạ vũ trụ. Bức xạ
này cóthể có nguồn gốc trong MặtTrời hoặc trongcác vụ nổ sao. Do buộc phải cho
các neutrino phản ứngvới hạt nhân nguyên tử để bắt chúngnên đòi hỏ các thể tích
máy dò rát lớn.Trong lúc Reines vàCowantrong những năm 1950dùng khoảng
nửa mét khối nước trongmáy dò của họ,các thực nghiệm phạm vi lớn trong
những năm 1990dùnghàng nghìnnét khối nước. Một số thực nghiệm thậm chí sử
dụngbiển hoặc băng bao quanh như là thể tíchmáy dòcủa chúng.
Các cấutrúc nhỏ nhấtcủa tự nhiên đã được nghiên cứulà 12 loại hạt vật
chất gồm 6 loại quarkvà 6 loại lepton.Mỗi loại hạt đều cóphản hạt của nó. Phản
hạt là một loại “ảnh gương” của hạt.Tên của một hạt cũng bao hàmcả phảnhạt của
nó. Cũngnhư các quark và lepton này, có các loại hạtdưới nguyên tử khác gọi là
các hạtlực vì chúng có trách nhiệm đối với ba loại lựccơ bản củatự nhiên làlực
mạnh,lực điệntừ và lực yếu. Các lựchấp dẫn tác dụng ngoài phạmvi củacủa ba
loại lực này. Sự khác biệt cơ bản nhất giữa quarkvà leptonlà ở chỗ lepton không bị
ảnh hưởngcủa lực mạnh.
Một tính chấtđángchú ý của các hạt vật chấtlà chúng thể hiện “tư cách họ
(family affiliation)”. Môhình chuẩn gồm ba họ hạt cơ bản mà mỗi họ gồm 2 quark
và 2 lepton. Họ thứ nhất gồm2 quarku, d và 2 lepton e, ne. Họ thứ haigồm 2
quark c. s và 2 leptonm, n m . Họ thứ ba gồm 2quark t, b và 2 leptont , nt . Bằng
nhiều cách, bahọ này xử sự như các bản saocủa nhau.Đây có phải là một nguyên
lý cơ bản để chứng minhsự tồn tại chỉ của ba loại họ hay không? Đó là một trong
các câuhỏi chưacó lời giải đáp trong vật lý.
Các quarkcủa họ thứ nhất là “quark lên (up quark) (u)”và “quarkxuống
(down quark)(d)”. Họ thứ nhấtcó các leptonlà electron (e)và neutrinoelectron
(n e). Haiquark tạo thànhcác proton và neutron mà chúngtạothành hạt nhân
nguyêntử và do đó hơn 99%toàn bộ vật chất củaTrái Đất.Phần nhỏ còn lại là các
electron.Neutrino electroncó thể được hình dung rất thô kệch như một electron
bị lấy mấtđiện tích và khối lượng. Neutrino electroncó khối lượng rất nhỏ không
đáng kể haykhôngcó khối lượng? Đó là một câu hỏi khác chưa đượcgiải đáp.

Reinesvà Cowan đã bắt được neutrinoelectrontại phòngthí nghiệm khoa học ở
Los Alamos.
Trongnhững năm 1960, nhiều nhóm nghiêncứu đã tiến hànhcác thực
nghiệmmà mộttrong các mục đích của chúnglà phát hiện ra các hạt tích điện mới
trong đó có cáclepton mới.Một cáchtiếp cận là tìm kiếm các hạt mới trong cácsản
phẩm củasự phânrã các hạt sẵn cónhư các kaon. Một cách kháclà cố gắng tạora
các hạtmới trong một máy gia tốc chẳng hạn bằngcác va chạm giữa các electron
có nănglượng caovà một bia. Perllà thành viên củamột nhómnghiên cứu mà
nhóm này đã tiến hành một thực nghiệmnhư thế tại SLAC năm 1966.Nhóm này
khôngphát hiện thấy mộtlepton tíchđiện mớinào. Năm 1973một thiết bị mới
được đưa vào hoạt dộng tại SLAC gọi là SPEAR. Đó là một bộ va chạm electron-
positron. Đây là máy gia tốc mạnh nhấtthế giới. Một bộ va chạm như vậy làmột
ước mơ của người đi sănlepton. Cơ chế sinhracác lepton tích điện mới (X+, X-)
khá đơngiản và dễ giải thích theo phản ứngelectron +positron® X++ X Bộ va
chạmSPEAR tạo cho Perlmột cơ hội đặc biệt để tiếp tục việc tìm kiếm lepton mới
trướcđây của ôngtrong một vùng năng lượng mới và khôngthể có được trước đây
là 5 MeV (5nghìn triệuelectron von).Chỉ saumột năm, Perlvà cộng sự phát hiện
ra mộtđiều gì đó như là báo hiệu choviệc sinh ra một loại leptonmới và họ công
bố các kết quả nghiên cứu đầutiên vào năm tiếp theo. Sau đó một vài năm, họ mới
có thể tin chắc rằng họ đã thực sự phát hiện ra leptonmới. Leptonmới nàyđược
đặt tên là leptontau (t theochữ Hy Lạp).Đâylà thành viên đầu tiêncủa họ quark-
leptonthứ ba (họ quark-leptoncuối cùng).
Thực nghiệm của Perlvà cộngsự đã ghi nhận cácva mặt giữacác electron
và các phản hạt của chúng là các positron.Đặt mộtmáy dò hìnhtrụ lớn vào trong
một từ trường và từ trường này bao quanh vùng vachạm. Máydò gồm nhiều
thành phần trong đó có một số buồngtia lửa dây cùngvới các máy đếm mưa
(showercounter)làm bằng các bộ nhấp nháy chì và một vài buồng tỷ lệ. Chỉ báo
đầu tiên về một hiện tượngmới khả dĩ là nhóm nghiên cứu quan sátthấy 24 sự
kiệnkiểu electrron+ positron® electron+ phảnmuon + i.p.hoặcelectron +
positron® positron+ muon +i.p. trongđó i.p.là các hạt không nhìn thấy (cáchạt

rời đi mà không để lại vếttrong máy dò). Dođó chỉ có mộtelecttron (hoặc
positron)và một phảnmuon (hoặc muon)với dấu điện tích ngược lại được ghi lại.
Khi ápdụng địnhluật bảo toàn năng lượng, Perlvà cộng sự nhận thấy rằnghọ đã
tạo ra ít nhất haihạt không nhìn thấy.
Một cách giảithích khả dĩ cho các sự kiện này làmột cặp leptonnặng (sau
đó gọi là các hạt tau) đã đượcsinh ra trước tiên theo phản ứngelectron +
positron® tau+ phản tau. Nhưng các tau phân rã rất nhanh vàcácelectron và
muon quan sát được dođó được giải thích như là các sản phẩmphân rã từ các
phản ứng tau ®electron (hoặc muon) +các neutrinovà phản tau ® phản muon
(hoặc positron)+ các neutrino. Các hạt khôngnhìnthấy là các neutrino.Các hạt
này thiếu sự nhạycảm vớimôi trườngxung quanhcủa chúng vàbiến mất mà
khôngđể lại dấu vết nhìn thấy. Trong một vết electron -muonđiển hình từ máy dò
SPEAR,hai leptonnặng phân rã trong phạm vimilimettừ điểm va chạm vàkhông
thể nhìn thấy được mộtcách trực tiếp. Các neutrino cũngkhôngnhìn thấyđược.
Chỉ các hạt e và m tích điện có thể pháthiện được.
Giả thuyết của Perl và cộng sự đã được kiểm tra trong mộtloạt quansát mới
qua nhiều năm. Điều dần dần trở nên rõ ràng là hạt tau đã qua kiểmtra và bằng
cách đó đáp ứngtất cả các đòi hỏi cầnthiết của một hạt nặng hơn so vớielectron
và muon.Giốngnhư electron (e)có neutrino riêng của nó là neutrinoelectron(ne)
và muon(m ) có neutrinoriêng của nó là neutrino muon(n m), tau (t) cũng có
neutrinoriêng của nó là neutrino tau (n t).
Hạt tau (hayleptontau) là anh emhọ hàng siêu nặngcủa electron.Hạt tau
cung cấp chìa khóa chosự hiểu biết rõràng vàđầy đủ về cấu trúc họ của các hạt cơ
bản. Neutrinotau là leptonchị em vớitau và nó có thể giải thíchcho sự biến mất
một phần lớnkhối lượngtrong vũ trụ. Nó đóng một vai trò quantrọng trong cácvụ
nổ saomới (supernova)và do đó trong vũ trụ. Leptontau tự nó có thể đặcbiệt
quan trọng trongviệc kiểm tracác lý thuyếttương laitrong đó đề cập đến điều là
làm thế nào vật chấtcó đượctính chất mà chúngta gọi là khốilượng.
Neutrino“được sinhra” như mộthạt giả thuyết trongmột lá thư do
Wolfgang Pauli -người được trao Giải NobelVật lý năm 1945viết năm1930. Vào

thời gian đó, người ta biết rằngnhiều hạt nhân nguyên tử kết thúc cuộc sốngcủa
chúng bằng cách phátra một electron.Quá trìnhnày gọi là sự phân rã beta và nó
làm cho các nhà nghiêncứu đau đầu vì một trong các định luật vậtlý quan trọng
nhất là định luật bảo toàn năng lượngdường như khôngáp dụng được cho nó. Nói
cách khác, dườngnhư sự phân rã beta viphạm định luật bảo toàn nănglượng. Để
giảiquyết điều này, Pauli đề xuất rađiều màông gọi làmột “giải pháp liều lĩnh”
trong đó hạt nhân không phát ra riêng electron.Electron đượcphát ra kèm theo
hạt dưới nguyêntử khác. Hạt này không có điện tích và phảnứng rất ít với môi
trường của nó.Pauli gọi hạt này là neutrino.Hạt neutrino đóng góp một phầnnăng
lượng trong sự phân rã beta và nó biến mất vàotrong hư khôngmà khôngđể lại
dấu vết gì. Nếu tínhđến năng lượng của neutrinothì vẫn bảo đảm sự cân bằng
năng lượngtrong sự phân rã beta. Paulinghĩ ông đã đưa ra “một điều khủng
khiếp”khi đề xuất một hạtmà nó không thể nào bị phát hiện. Ba thập kỷ sau khi
Pauliđưa ra giả thuyết neutrino, Reines và Cowan đã đưa neutrino ra ánhsáng.
Giả thuyết neutrinocủa Paulicó thể là “khủng khiếp” nhưng nó cũngcực kỳ
hấp dẫn. Nó đã “cứu vớt” định luật bảo toàn nănglượng vàđồng thời giải quyết
nhiều điều bíhiểm khác.Enrrico Fermi (Giải Nobel Vật lý năm 1938)sử dụnggiả
thuyết neutrino để phátbiểu một lý thuyết cho mộttrong các lực của tự nhiên là
lực yếu. Lý thuyết tuyệt vời này củng cố lòngtin lớn vào giả thuyết cho rằng
neutrinođược sinhra đồngthời với electronmỗi khi một hạt nhân phânrã quasự
phân rã beta. Nhưng làm thế nào để chứng minh sự tồn tại của neutrino? Các nhà
nghiêncứu HansBethe (Giải Nobel Vật lý năm 1967) và Rudolf Peierlsđã đánh giá
xác suất làm dừng các neutrinosinh ra trong sự phânrã betacủa các hạtnhân
phóngxạ và nhậnthấy rằng nó nhỏ đến mức để bắt các neutrinonày một cách có
hiệu quả cần cómột bia cóbề dày bằng khoảng cách một vài năm ánh sáng.Khi các
lò phản ứng hạtnhân đầutiên được xây dựngtrong những năm 1940, Fermi là
một trong những người nhận thức đượcrằng cáclò phản ứngcó thể sử dụng như
các nguồnneutrino mạnh.Người ta ước tính được rằng các lòphản ứng có khả
năng cungcấp một dòngneutrino chừng 1012-1013 neutrinotrên 1 cm2 và trong
1 giây. Nguồn này cung cấp lượngneutrinolớn hơnnhiều bậc độ lớn so với lượng

neutrinothu đượctừ các nguồnphóng xạ.
Reinesnhận thấyrằng mộtlò phản ứnghạt nhân cần phải phát ra những
lượng neutrinolớn mặcdù không có ai chú ýđến chúngtrước đó,Trong những
năm 1950ông và Cowan đã pháttriển mộtphương pháp nhằmbắt ít nhất một ít
trong số các hạt dưới nguyên tử khó bắt này. Năm 1953Reinesvà Cowan đề xuất
một thựcnghiệm lòphảnứng để bắt các neutrino. Họ đã sử dụng phản ứng phản
neutrino+ proton ®neutron+ positron.Mặc dù lò phảnứng cung cấp các neutrino
với cườngđộ lớn, họ hivọng phản ứngnày cho tốc độ đếm chậm saocho có thể
tiếp cận với giới hạn không thể.Họ nhận rõ tầmquan trọng của việc ghi nhận cả
neutron và positronđể làm giảm nguycơ của giải thích sailầm. Sau thực nghiệm
đầu tiên tại lòphản ứngHanford,Reines và Cowan đến làm việc tại Savannah
River Plant.
Bia trongthực nghiệm củaReinesvà Cowan bao gồm gần 400 lít nước chứa
clorua cadmi đặtgiữa các máy dòchất lỏnglớn có thể nhấp nháy. Diẽn biến của các
sự kiện đối với phản ứngxảy ra như sau. Neutrinova chạm với một protontrong
nướcvà sinh ramột positronvà một neutron.Positron được làm chậm bởi nước và
bị phá hủycùng với một electron(vật chất gặp phản vậtchất). Từ đó sinhra hai
photon(các hạt nhẹ). Chúngđược ghi lại đồng thời trong haimáy dò. Neutron
cũng bị mất vận tốc ở trong nước và cuối cùngbị bắt bởi một hạtnhân cadmi.Từ
đó cũng sinhra các photon.Cácphotonnày tiến đếncác máy dò sau1 micro giây
hoặc lâu hơn sovới các photon phát ra từ sự phá hủypositron.Chúng cung cấp
chứng minhvề sự bẫy neutrino.Có những cuộc đấutranh với tốc độ đếm chậm và
bức xạ nền cao.Trong thực nghiệm,một ít sự kiện ghi đượcsauhànggiờ. Tuy
nhiên,Reines và Cowan đã thực hiện được kỳ công khitiếp cận được điều không
thể. Họ đã chứng minh đượcsự tồn tại củaneutrino. Phátminh này là một mốclịch
sử của vậtlý hiện đại.Nó mở ra con đườnghướng tới mộtlĩnh vực nghiêncứumới
quan trọng là vật lý neutrino. Reinescũng đóng vaitrò quyếtđịnh trong nhữnggiai
đoạn phát triểntiếp theo của nghiên cứunày.
Martin L.Perl sinhnăm 1927 tại NewYork (Mỹ). Ông là công dân Mỹ. Perl
bảo vệ luậnán tiến sĩ vật lý năm 1955tại Đại họcColumbia.Ông là viện sĩ Viện Hàn

lâm Khoa họcQuốc gia Mỹ. Perl là giáosư tại Trung tâmmáy gia tốc thẳng
Stanfordở Đại học Stanford.
Fređẻick Reinessinh năm 1918tại Paterson(NewJersey, Mỹ). Ônglà công
dân Mỹ. Reinesbảo vệ luận án tiến sĩ vật lý năm 1944 tại Đại họcNew York.Ông là
viện sĩ Viện Hànlâm Khoahọc Quốc giaMỹ và việnsĩ nước ngoài Viện Hàn lâm
Khoa họcNga. Reines làgiáo sư tại khoaVật lý của Đại học Californiaở Irvine.