Kết quả của Máy Va chạm Hadron Lớn của chúng tôi gợi ý về vật lý chưa được khám phá
Our Large Hadron Collider results hint at undiscovered physics
The behaviour of sub-atomic particles in the LHC seems to disagree with the Standard Model.
Hành vi của các hạt hạ nguyên tử trong LHC dường như mâu thuẫn với Mô hình Chuẩn.
Recent findings from research we have been carrying out at the Large Hadron Collider (LHC) at Cern in Geneva suggest that we might be closing in on signs of undiscovered physics.
Những phát hiện gần đây từ nghiên cứu mà chúng tôi đang thực hiện tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) ở CERN tại Geneva cho thấy chúng tôi có thể đang tiến gần đến những dấu hiệu của vật lý chưa được khám phá.
If confirmed, these hints would overturn the theory, called the Standard Model, that has dominated particle physics for 50 years. The findings suggest the way that specific sub-atomic particles behave in the LHC disagrees with the Standard Model.
Nếu được xác nhận, những gợi ý này sẽ lật đổ lý thuyết Mô hình Chuẩn, lý thuyết đã thống trị vật lý hạt trong 50 năm qua. Các phát hiện cho thấy cách thức hoạt động của các hạt hạ nguyên tử cụ thể trong LHC mâu thuẫn với Mô hình Chuẩn.
Fundamental particles are the most basic building blocks of matter – sub-atomic particles that cannot be divided into smaller units. The four fundamental forces – gravity, electromagnetism, the weak force and the strong force – govern how these particles interact.
Các hạt cơ bản là những khối xây dựng vật chất cơ bản nhất – là các hạt hạ nguyên tử không thể chia thành các đơn vị nhỏ hơn. Bốn lực cơ bản – lực hấp dẫn, điện từ, lực yếu và lực mạnh – chi phối cách các hạt này tương tác với nhau.
The LHC is a giant particle accelerator built in a 27km-long circular tunnel under the French-Swiss border. Its main purpose is to find cracks in the Standard Model.
LHC là một máy gia tốc hạt khổng lồ được xây dựng trong một đường hầm hình tròn dài 27km dưới biên giới Pháp-Thụy Sĩ. Mục đích chính của nó là tìm ra những lỗ hổng trong Mô hình Chuẩn.
This theory is our best understanding of fundamental particles and forces, but we know it cannot be the whole story. It does not explain gravity or dark matter – the invisible, so far unmeasured type of matter that makes up approximately 25% of the universe.
Lý thuyết này là sự hiểu biết tốt nhất của chúng ta về các hạt và lực cơ bản, nhưng chúng ta biết rằng nó không thể là toàn bộ câu chuyện. Nó không giải thích được lực hấp dẫn hay vật chất tối – loại vật chất vô hình, chưa được đo lường cho đến nay, chiếm khoảng 25% vũ trụ.
In the LHC, beams of proton particles travelling in opposite directions are made to collide, in a bid to uncover hints of undiscovered physics. The new results come from LHCb, an experiment at the Large Hadron Collider where these collisions are analysed.
Trong LHC, các chùm hạt proton di chuyển theo các hướng ngược nhau được cho va chạm, nhằm khám phá những gợi ý về vật lý chưa được khám phá. Các kết quả mới đến từ LHCb, một thí nghiệm tại Máy Va chạm Hadron Lớn, nơi các va chạm này được phân tích.
The result comes from studying the decay – a kind of transformation – of sub-atomic particles called B mesons. We investigated how these B mesons decay into other particles, finding that the particular way in which this happens disagrees with the predictions of the Standard Model.
Kết quả này đến từ việc nghiên cứu sự phân rã – một loại biến đổi – của các hạt hạ nguyên tử gọi là meson B. Chúng tôi đã điều tra cách các meson B này phân rã thành các hạt khác, và phát hiện ra rằng cách thức cụ thể mà điều này xảy ra mâu thuẫn với các dự đoán của Mô hình Chuẩn.
An elegant theory
Một lý thuyết thanh lịch
The Standard Model is built on two of the 20th century’s most transformative advances in physics; quantum mechanics and Einstein’s special relativity.
Mô hình Chuẩn được xây dựng dựa trên hai bước tiến mang tính cách mạng nhất trong vật lý thế kỷ 20: cơ học lượng tử và thuyết tương đối hẹp của Einstein.
Physicists can compare measurements made at facilities such as the LHC with predictions based on the Standard Model to rigorously test the theory.
Các nhà vật lý có thể so sánh các phép đo được thực hiện tại các cơ sở như LHC với các dự đoán dựa trên Mô hình Chuẩn để kiểm tra lý thuyết một cách nghiêm ngặt.
Despite the fact that we know the Standard Model is incomplete, in over 50 years of increasingly rigorous testing, particle physicists are yet to find a crack in the theory. That is, potentially, until now.
Mặc dù chúng ta biết Mô hình Chuẩn là chưa hoàn chỉnh, nhưng qua hơn 50 năm thử nghiệm ngày càng nghiêm ngặt, các nhà vật lý hạt vẫn chưa tìm thấy bất kỳ lỗ hổng nào trong lý thuyết. Tức là, có khả năng là cho đến nay.
Our measurement, accepted for publication in Physical Review Letters, shows a tension of four standard deviations from the expectations of the Standard Model.
Phép đo của chúng tôi, được chấp nhận xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters, cho thấy sự chênh lệch bốn độ lệch chuẩn so với kỳ vọng của Mô hình Chuẩn.
In real world terms, this means that, after considering the uncertainties from the experimental results and from the theory predictions, there is only a one in 16,000 chance that a random fluctuation in the data this extreme would occur if the Standard Model is correct.
Nói theo thuật ngữ thực tế, điều này có nghĩa là, sau khi xem xét những bất định từ kết quả thực nghiệm và từ các dự đoán lý thuyết, chỉ có một cơ hội trong 16.000 rằng một sự dao động ngẫu nhiên trong dữ liệu ở mức cực đoan này sẽ xảy ra nếu Mô hình Chuẩn là đúng.
Although this falls short of science’s gold standard – what’s known as five sigma, or five standard deviations (about a one in 1.7 million chance) – the evidence is starting to mount. Adding to this compelling narrative are results from an independent LHC experiment, CMS, that were published earlier in 2025.
Mặc dù điều này chưa đạt đến tiêu chuẩn vàng của khoa học – được gọi là năm sigma, hay năm độ lệch chuẩn (khoảng một cơ hội trong 1,7 triệu) – bằng chứng đang bắt đầu tích tụ. Bổ sung cho câu chuyện hấp dẫn này là các kết quả từ một thí nghiệm LHC độc lập, CMS, được công bố vào đầu năm 2025.
Although the CMS results are not as precise as those from LHCb, they agree well, strengthening the case. Our new results have been found in a study of a particular kind of process, known as an electroweak penguin decay.
Mặc dù kết quả CMS không chính xác bằng kết quả từ LHCb, chúng vẫn nhất quán tốt, củng cố thêm lập luận này. Các kết quả mới của chúng tôi được tìm thấy trong một nghiên cứu về một loại quá trình cụ thể, được gọi là sự phân rã cánh bướm điện yếu (electroweak penguin decay).
Rare events
Các sự kiện hiếm gặp
The term “penguin” refers to a specific type of decay (transformation) of short-lived particles. In this case we study how the B meson decays into four other subatomic particles – a kaon, a pion and two muons.
Thuật ngữ “penguin” (chim cánh cụt) đề cập đến một loại sự phân rã (biến đổi) cụ thể của các hạt sống ngắn. Trong trường hợp này, chúng tôi nghiên cứu cách meson B phân rã thành bốn hạt hạ nguyên tử khác – một kaon, một pion và hai muon.
With some imagination, one can visualise the arrangement of the particles involved as looking like a penguin. Crucially, measurements of this decay let us study how one type of fundamental particle, a beauty quark, can transform into another, the strange quark.
Với một chút trí tưởng tượng, người ta có thể hình dung sự sắp xếp của các hạt liên quan trông giống như một con chim cánh cụt. Điều quan trọng là, các phép đo sự phân rã này cho phép chúng ta nghiên cứu cách một loại hạt cơ bản, quark beauty, có thể biến đổi thành loại khác, là quark strange.
This penguin decay is incredibly rare in the Standard Model: for every million B mesons, only one will decay in this manner. We have carefully analysed the angles and energies at which these particles are produced in the decay, and precisely determined how often the process takes place. We found that our measurements of these quantities disagree with Standard Model predictions.
Sự phân rã kiểu penguin này cực kỳ hiếm trong Mô hình Chuẩn: cứ mỗi triệu meson B, chỉ có một meson phân rã theo cách này. Chúng tôi đã phân tích cẩn thận các góc và năng lượng mà các hạt này được tạo ra trong quá trình phân rã, và xác định chính xác tần suất xảy ra quá trình này. Chúng tôi nhận thấy rằng các phép đo của chúng tôi về các đại lượng này mâu thuẫn với các dự đoán của Mô hình Chuẩn.
Precise investigations of decays like this are one of the primary goals of the LHCb experiment, and have been since its inception in 1994. Penguin processes are uniquely sensitive to the effects of potentially very heavy new particles that cannot be created directly at the LHC.
Các nghiên cứu chính xác về các sự phân rã như thế này là một trong những mục tiêu chính của thí nghiệm LHCb, và đã được thực hiện kể từ khi nó ra đời vào năm 1994. Các quá trình penguin đặc biệt nhạy cảm với ảnh hưởng của các hạt mới có khả năng rất nặng mà không thể được tạo ra trực tiếp tại LHC.
Such particles may still exert a measurable influence on these decays over the small Standard Model contribution. This kind of indirect observation is not new. For example, radioactivity was discovered 80 years before the fundamental particles that are responsible for it (the W bosons) were directly seen.
Những hạt như vậy vẫn có thể tác động đo lường được đến các sự phân rã này ngoài đóng góp nhỏ của Mô hình Chuẩn. Loại quan sát gián tiếp này không phải là mới. Ví dụ, hiện tượng phóng xạ đã được phát hiện 80 năm trước khi các hạt cơ bản chịu trách nhiệm cho nó (boson W) được quan sát trực tiếp.
Future directions
Hướng đi tương lai
Our studies of rare processes let us explore parts of nature that may otherwise only become accessible using particle colliders planned for the 2070s. There are a wide range of potential new theories that can explain our findings. Many contain new particles called “leptoquarks” that unite the two different types of matter: “leptons” and “quarks”.
Các nghiên cứu của chúng tôi về các quá trình hiếm giúp chúng tôi khám phá những phần của tự nhiên mà nếu không thì chỉ có thể tiếp cận được bằng các máy va chạm hạt được lên kế hoạch cho những năm 2070. Có một loạt các lý thuyết mới tiềm năng có thể giải thích những phát hiện của chúng tôi. Nhiều lý thuyết trong số đó chứa các hạt mới gọi là “leptoquarks” kết hợp hai loại vật chất khác nhau: “leptons” và “quarks”.
Other potential theories contain particles that are heavier analogues of those already found in the Standard Model. The new results constrain the form of these models and will direct future searches for them.
Các lý thuyết tiềm năng khác chứa các hạt là dạng tương tự nặng hơn của những hạt đã được tìm thấy trong Mô hình Chuẩn. Các kết quả mới này giới hạn hình thức của các mô hình này và sẽ định hướng cho các cuộc tìm kiếm trong tương lai.
Despite our excitement, open theoretical questions remain that prevent us from definitively claiming that physics beyond the Standard Model has been observed. The most serious question arises from so-called “charming penguins”, a set of processes present in the Standard Model, whose contributions are extremely tricky to predict. Recent estimates of these charming penguins suggest their effects are not large enough to explain our data.
Mặc dù rất hào hứng, vẫn còn những câu hỏi lý thuyết chưa được giải đáp ngăn cản chúng tôi khẳng định chắc chắn rằng vật lý ngoài Mô hình Chuẩn đã được quan sát. Câu hỏi nghiêm trọng nhất xuất phát từ cái gọi là “charming penguins”, một tập hợp các quá trình tồn tại trong Mô hình Chuẩn, mà những đóng góp của chúng cực kỳ khó dự đoán. Các ước tính gần đây về những charming penguins này cho thấy hiệu ứng của chúng không đủ lớn để giải thích dữ liệu của chúng tôi.
Furthermore, a combination of a theory model and experimental data from LHCb suggests that the charming penguins (and therefore, the Standard Model) struggle to explain the anomalous results.
Hơn nữa, sự kết hợp giữa một mô hình lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm từ LHCb cho thấy rằng các charming penguins (và do đó, Mô hình Chuẩn) gặp khó khăn trong việc giải thích các kết quả bất thường.
New data already collected will let us confirm the situation in the coming years: in our current work we studied approximately 650 billion B meson decays recorded between 2011 and 2018 to find these penguin decays. Since then, the LHCb experiment has recorded three times as many B mesons.
Dữ liệu mới đã được thu thập sẽ cho phép chúng tôi xác nhận tình hình này trong những năm tới: trong công trình hiện tại của chúng tôi, chúng tôi đã nghiên cứu khoảng 650 tỷ sự phân rã của meson B được ghi lại trong khoảng thời gian từ năm 2011 đến năm 2018 để tìm các sự phân rã kiểu penguin này. Kể từ đó, thí nghiệm LHCb đã ghi lại lượng meson B nhiều gấp ba lần.
Further advances are planned for the 2030s to exploit future upgrades to the LHC and accrue a dataset 15 times larger again. This ultimate step will allow definitive claims to be made, potentially unlocking a new understanding of how the universe works at the most elementary level.
Các bước tiến tiếp theo được lên kế hoạch cho những năm 2030 để khai thác các nâng cấp trong tương lai của LHC và tích lũy một bộ dữ liệu lớn hơn gấp 15 lần nữa. Bước đi cuối cùng này sẽ cho phép đưa ra các khẳng định dứt khoát, có khả năng mở khóa sự hiểu biết mới về cách vũ trụ hoạt động ở cấp độ nguyên tử nhất.
William Barter works for the University of Edinburgh. He receives funding from UKRI. He is a member of the LHCb collaboration at Cern.
William Barter làm việc tại Đại học Edinburgh. Ông nhận tài trợ từ UKRI. Ông là thành viên của nhóm nghiên cứu LHCb tại Cern.
Mark Smith does not work for, consult, own shares in or receive funding from any company or organisation that would benefit from this article, and has disclosed no relevant affiliations beyond their academic appointment.
Mark Smith không làm việc cho, tư vấn, sở hữu cổ phần hoặc nhận tài trợ từ bất kỳ công ty hoặc tổ chức nào được hưởng lợi từ bài báo này, và đã không tiết lộ bất kỳ mối liên hệ nào liên quan ngoài vị trí học thuật của mình.
Read more
-
Cách chính quyền Trump lợi dụng văn hóa đại chúng và tôn giáo vì lợi ích chính trị
How the Trump administration co-opts pop culture and religion for political gain
-
Tu chính án thứ 25 là gì và liệu nó có thể được sử dụng để cách chức Trump không?
What is the 25th Amendment and could it be used to remove Trump from office?