Buzz
Hạt cơ bản (tiếng Anh: elementary particle) hay còn được gọi là hạt sơ cấp, là các hạt nhỏ nhất không có cấu trúc phức tạp hơn, không được tạo thành từ các hạt khác. Vì vậy, hạt cơ bản được xem như là những hạt tồn tại riêng biệt, nhất quán và không thể tách thành các phần nhỏ hơn. Cho đến thời điểm hiện tại, các hạt được cho là sơ cấp bao gồm: các loại 'hạt vật chất' và 'hạt phản vật chất' thuộc họ fermion (quark, lepton, phản quark và phản lepton), cũng như 'các hạt trao đổi lực' đóng vai trò trung gian trong tương tác giữa các hạt fermion, thuộc họ boson (gauge bosons và Higgs boson). Một hạt chứa hai hoặc nhiều hạt cơ bản là một hạt tổng hợp.
Vật chất mà chúng ta tiếp xúc hàng ngày bao gồm các nguyên tử, từng được xem là hạt sơ cấp, có nghĩa là 'không thể bị chia nhỏ' trong tiếng Hy Lạp mặc dù sự tồn tại của nguyên tử vẫn còn gây tranh cãi cho đến khoảng năm 1910, khi một số nhà vật lý hàng đầu coi các phân tử là các khái niệm toán học, và cuối cùng là năng lượng của vật chất. Chẳng bao lâu sau đó, các thành phần hạ nguyên tử của nguyên tử đã được xác định. Vào những năm 1930, electron và proton đã được phát hiện, cùng với photon, hạt của bức xạ điện từ. Lúc đó, sự phát triển mới mẻ của cơ học lượng tử đang thay đổi hoàn toàn cách tiếp cận các hạt, vì một hạt dường như có thể tồn tại như một sóng, một nghịch lý vẫn chưa có lời giải thích thỏa đáng.
Thông qua lý thuyết lượng tử, các proton và neutron đã được tìm thấy có chứa hạt quark. Các hạt quark lên và quark xuống hiện nay được coi là các hạt sơ cấp. Và trong một phân tử, ba thuộc tính tự do của electron (điện tích, spin, quỹ đạo) có thể được tách ra thông qua hàm sóng thành ba quasiparticles (holon, spinon, orbiton). Tuy nhiên, một hạt electron tự do không xoay quanh hạt nhân nguyên tử và thiếu chuyển động quỹ đạo, có vẻ như không thể chấp nhận được nhưng vẫn được xem là một hạt cơ bản.
Khoảng năm 1980, trạng thái của một hạt cơ bản lúc đó được xem là phần cuối cùng của chất, sau đó đã bị loại bỏ vì một triển vọng thực tế hơn, được thể hiện trong Mô hình chuẩn của vật lý hạt hiện đại, đây là lý thuyết thành công nhất trong thực nghiệm khoa học. Nhiều công trình dựa trên và các lý thuyết ngoài Mô hình chuẩn, bao gồm cả siêu đối xứng phổ biến, nhân đôi số lượng hạt cơ bản bằng cách đưa ra giả thuyết rằng mỗi hạt đã biết liên kết với một đối tác 'bóng tối' lớn hơn nhiều, mặc dù tất cả các siêu đối tác như vậy vẫn chưa được khám phá. Trong khi đó, một trọng lượng trung gian boson cơ bản là hạt graviton vẫn còn là giả thuyết.
Tổng quát
Tất cả các hạt cơ bản là boson hoặc fermion. Các lớp này được phân biệt bằng số liệu thống kê lượng tử của chúng: fermion tuân theo số liệu thống kê Fermi Dirac và boson tuân theo số liệu thống kê của Bose-Einstein. Spin của chúng được phân biệt thông qua định lý thống kê spin kèm theo: nó là một nửa số nguyên cho fermion và số nguyên cho boson. Mẫu biểu: hạt cơ bản
Trong mô hình chuẩn, các hạt cơ bản được biểu diễn như các hạt điểm để tiện cho dự đoán. Mặc dù rất thành công, nhưng mô hình chuẩn vẫn chưa là một thuyết thống nhất về tất cả các lực tự nhiên một cách hoàn toàn, do thiếu sót của lực hấp dẫn.
Tính chất của các hạt sơ cấp
Khối lượng nghỉ
Khối lượng nghỉ, hay còn gọi là khối lượng tĩnh của một vật, là khối lượng của vật khi xét trong một hệ quy chiếu trong đó vật đứng yên. Đa số vật chất, ngoại trừ photon và neutrino, đều có khối lượng nghỉ khác không.
Thời gian tồn tại
Các hạt sơ cấp thường có thể phân rã thành các hạt khác. Thời gian sống của chúng dao động từ 10 đến 10 giây. Một số ít hạt sơ cấp được gọi là bền, có thời gian sống rất lớn, có thể coi là bền như electron 10 năm, proton 10 năm. Người ta nghiên cứu thời gian sống của hạt sơ cấp thông qua lý thuyết xác suất, dựa trên thời gian để một số lượng n hạt sơ cấp phân rã chỉ còn lại 0.5n hạt
Điện tích
Có một số hạt mang điện tích bằng không như phôtôn γ và nơtrinô ν. Những hạt khác có thể mang điện tích âm hoặc dương, với trị số tuyệt đối bằng điện tích của electron, là 1.602 x 10^-19 C
Dòng spin
Số lạ đáng kể
Số lạ là một đại lượng lượng tử đặc trưng của các hạt sơ cấp, được tìm thấy trong quá trình phân rã của các mêzôn K: K, K, và hyperon Υ: Λ, Σ, Σ, Σ, và tuân theo định luật bảo toàn số lạ
Số Baryon đáng lưu ý
Hạt đối
Phân loại các hạt cơ bản
Các hạt cơ bản được phân loại thành hai nhóm chính là fermion (cấu thành vật chất trong vũ trụ) và boson (truyền tương tác giữa các hạt).
Hạt Fermion
Fermion bao gồm 12 loại chia thành hai nhóm là quark - các hạt nặng và lepton - các hạt nhẹ. Quark bao gồm sáu loại là up, down, charm, strange, top và bottom. Trong đó, các hạt nhân mà chúng ta thường thấy gồm neutron và proton, trong đó neutron được tạo thành từ 3 quark, gồm 1 up và 2 down, còn proton là 2 up và 1 down.
Các hạt fermion có spin bán nguyên, ½. Mỗi hạt fermion đều có một antiparticle riêng. Fermion là các hạt cơ bản cấu thành vật chất. Chúng được phân loại dựa trên tương tác trong lý thuyết sắc động lượng tử và theo mô hình chuẩn với tổng cộng 12 loại fermion cơ bản, gồm 6 quark và 6 lepton.
Các hạt quark
Các quark tương tác với nhau bằng lực màu (màu lực), mỗi quark đều có antiparticle tương ứng và tồn tại ở 6 hương khác nhau.
| Hệ | Quark | Điện tích | Khối lượng (MeV/c²) | Phản quark | |
| 1 | Up | (u) | +⅔ | 1.5 to 4 | Phản quark trên: |
| Down | (d) | −⅓ | 4 to 8 | Phản quark dưới: | |
| 2 | Strange | (s) | −⅓ | 80 to 130 | Phản quark lạ: |
| Charm | (c) | +⅔ | 1,150 to 1,350 | Phản quark duyên: | |
| 3 | Bottom | (b) | −⅓ | 4,100 to 4,400 | Phản quark đáy: |
| Top | (t) | +⅔ | 178,000 ± 4,300 | Phản quark đỉnh: | |
Các hạt lepton
Lepton (tiếng Hy Lạp là Λεπτόν) có nghĩa là 'nhỏ' và 'mỏng'. Thuật ngữ này đã được sử dụng trước khi phát hiện ra các hạt tauon, một loại lepton nặng có khối lượng gấp đôi so với proton.
Lepton là các hạt có spin bán nguyên, ½, và không tham gia vào tương tác mạnh. Lepton hình thành một nhóm hạt cơ bản riêng biệt so với các nhóm gauge boson và quark.
Có tổng cộng 12 loại lepton đã biết, bao gồm ba loại hạt vật chất là electron, muyon và tauon, cùng với ba loại neutrino tương ứng và 6 antiparticle của chúng. Tất cả các lepton mang điện tích đều là -1 hoặc +1 (tùy thuộc vào chúng là hạt hay antiparticle) và tất cả các neutrino cùng antineutrino đều có điện tích trung hòa. Số lượng lepton của cùng một loại được giữ ổn định khi hạt tham gia tương tác, điều này được thể hiện qua định luật bảo toàn số lepton.
| Hạt điện tích / phản hạt | Neutrino / phản neutrino | |||||||
| Tên | Ký hiệu | Điện tích | Khối lượng (GeV/c²) | Tên | Ký hiệu | Điện tích | Khối lượng (MeV/c²) | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Electron / Phản electron (positron) | −1 / +1 | 0,000511 | Electron neutrino / Electron phản neutrino | 0 | <0,000003 | |||
| Muon / Phản muon | −1 / +1 | 0,1056 | Muon neutrino / Muon phản neutrino | 0 | <0,19 | |||
| Tauon / Phản tauon | −1 / +1 | 1,777 | Tau neutrino / Tau phản neutrino | 0 | <18,2 | |||
Hạt Gauge boson
Boson bao gồm bốn loại hạt tương ứng với bốn loại tương tác cơ bản là photon - tương tác điện từ, graviton - tương tác hấp dẫn, gluon - tương tác mạnh, weak boson (bao gồm hai loại W và Z) - tương tác yếu.
Tất cả các boson đều có spin nguyên. Các lực cơ bản của tự nhiên được truyền bởi các hạt gauge boson. Theo mô hình chuẩn, có tổng cộng 13 loại boson cơ bản:
- Quang tử, photon, có spin 1, là hạt truyền tải tương tác trong lực điện từ.
- Các boson W và Z có spin 1 là hạt truyền tải tương tác trong lực yếu.
- 8 gluon có spin 1 là hạt truyền tải tương tác trong lực mạnh.
Hiện nay, các lý thuyết vật lý dự đoán về sự tồn tại của một số boson khác như:
- Higgs boson, có spin 0, được dự báo bởi mô hình chuẩn của lý thuyết điện yếu thống nhất.
- Graviton, có spin 2, là các hạt truyền tải tương tác trong lực hấp dẫn và được dự báo bởi lý thuyết hấp dẫn lượng tử.
- Các thành phần siêu đối xứng của các hạt fermion (slepton và squark).
- Graviscalar có spin 0.
- Graviphoton có spin 1.
- Goldstone boson.
- X boson và phản X boson được dự báo trong lý thuyết thống nhất GUT.
Tương tác của các hạt cơ bản
Tương tác mạnh
Tương tác mạnh là sự tương tác giữa các hạt hadron, giữ các thành phần của hạt nhân của nguyên tử lại với nhau, chống lại lực đẩy rất lớn giữa các proton.
