Hạt hạ nguyên tử

Trong vật lý, các hạt hạ nguyên tử (tiếng Anh: subatomic particles) là những hạt nhỏ hơn nhiều so với nguyên tử, cấu thành nên nguyên tử hoặc xuất hiện trong các phản ứng hạt nhân và phân rã. Các ví dụ điển hình bao gồm electron, proton và neutron. Hạt hạ nguyên tử được chia thành hai loại: hạt sơ cấp, không được cấu tạo từ các hạt khác, và hạt tổ hợp. Vật lý hạt và hạt nhân nghiên cứu các hạt này cùng các tương tác của chúng. Thí nghiệm cho thấy ánh sáng có tính chất của cả hạt (photon) và sóng, dẫn đến khái niệm sóng-hạt. Nguyên lý bất định cho thấy các trạng thái của hạt, như vị trí và động lượng, không thể đo đồng thời chính xác. Tính chất sóng-hạt hiện nay không chỉ áp dụng cho photon mà còn cho các hạt lượng tử khác. Trong lý thuyết trường lượng tử, sự tương tác của các hạt bao gồm sự sáng tạo và hủy diệt lượng tử trong các tương tác cơ bản.

Phân loại

Thống kê

Tất cả các hạt hạ nguyên tử, tương tự như các hạt trong không gian ba chiều theo cơ học lượng tử, có thể là boson (với spin là số nguyên) hoặc fermion (với spin là nửa số nguyên lẻ).

Phân loại theo thành phần

Mô hình Chuẩn gồm các hạt cơ bản như sau:

• 6 loại hạt quark: up, down, bottom, top, strange, và charm;
• 6 loại hạt lepton: electron, neutrino electron, muon, neutrino muon, tau, và neutrino tau;
• 12 hạt boson gauge (hạt mang lực): photon (điện từ), 3 boson W, boson Z (lực tương tác yếu), và 8 gluon (lực tương tác mạnh).
• Hạt Higgs.

Các mô hình mở rộng của Mô hình Chuẩn dự đoán sự hiện diện của một hạt graviton cơ bản cùng với nhiều hạt cơ bản khác.

Các hạt tổng hợp, như proton hay hạt nhân nguyên tử, là kết hợp của hai hoặc nhiều hạt cơ bản. Ví dụ, proton gồm 2 hạt up quark và 1 hạt down quark, trong khi hạt nhân heli-4 có 2 proton và 2 neutron. Neutron bao gồm 2 hạt down quark và 1 hạt up quark. Tất cả các hadron, bao gồm baryon (như proton và neutron) và meson (như pion và kaon), là các hạt tổng hợp.

Phân loại theo khối lượng

Trong thuyết tương đối hẹp, năng lượng của một hạt nghỉ bằng khối lượng của nó nhân bình phương tốc độ ánh sáng, E = mc². Khối lượng và năng lượng có thể chuyển đổi lẫn nhau. Nếu một hạt ở trạng thái nghỉ trong một hệ quy chiếu, nó có khối lượng nghỉ và được gọi là khối lượng lớn.

Các hạt composite đều có khối lượng lớn. Baryon (nghĩa là 'nặng') thường nặng hơn meson (nghĩa là 'trung gian'), và meson nặng hơn lepton (nghĩa là 'nhẹ'). Tuy nhiên, hạt lepton nặng nhất (tau) lại nặng hơn hai loại baryon nhẹ nhất (nucleon). Tất cả các hạt mang điện tích đều có khối lượng lớn.

Tất cả các hạt không có khối lượng (khối lượng bất biến bằng 0) đều là hạt cơ bản, bao gồm photon và gluon, mặc dù chúng không thể bị tách rời.

Các thuộc tính khác

Nhờ công trình của Albert Einstein, Satyendra Nath Bose, Louis de Broglie và nhiều nhà nghiên cứu khác, lý thuyết khoa học hiện đại khẳng định rằng tất cả các hạt đều có bản chất sóng. Điều này đã được xác nhận không chỉ với các hạt cơ bản mà còn với các hạt tổng hợp như nguyên tử và phân tử. Theo cơ học lượng tử phi tương đối tính, tính nhị nguyên sóng-hạt áp dụng cho tất cả các đối tượng, kể cả các đối tượng vĩ mô, dù đặc tính sóng của chúng không dễ phát hiện do bước sóng nhỏ.

Sự tương tác giữa các hạt đã được nghiên cứu kỹ lưỡng qua nhiều thế kỷ, với một số định luật cơ bản mô tả cách các hạt tương tác trong va chạm. Các định luật bảo toàn năng lượng và động lượng là những nguyên lý cơ bản nhất, cho phép tính toán các tương tác từ quy mô vũ trụ đến quark. Đây là nền tảng của cơ học Newton, được trình bày trong cuốn Các nguyên lý toán học của triết học tự nhiên, xuất bản năm 1687.

Lịch sử

Thuật ngữ 'hạt hạ nguyên tử' chủ yếu được sử dụng từ những năm 1960 để phân biệt giữa số lượng lớn các baryon và meson (bao gồm các hadron) với các hạt được công nhận là hạt cơ bản thực sự. Trước đó, hadron đã từng được coi là 'hạt cơ bản' do chưa biết rõ thành phần của chúng.

Danh sách các phát hiện quan trọng bao gồm:

• Nguyên tử
• Electron
• Proton
• Neutron
• Hạt sơ cấp

Tài nguyên liên kết

• Subatomic particle (physics) tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)

• particleadventure.org: Mô hình Chuẩn.
• cpepweb.org: Bảng hạt. Lưu trữ 2010-04-12 tại Wayback Machine
• University of California: Nhóm Dữ liệu Hạt.
• Encyclopædia Vật lý Annotated: Lý thuyết Trường Lượng tử.
• Jose Galvez: Chương 1 Điện động lực học (pdf).