Mô hình chuẩn

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Hình mô tả 6 quark, 6 lepton và tác động giữa các hạt theo mô hình chuẩn

Mô hình chuẩn của vật lý hạt là thuyết miêu tả về tương tác mạnh, tương tác yếu, lực điện từ cũng như những hạt cơ bản tạo nên vật chất. Được phát triển vào những năm đầu của thập niên 1970, mô hình chuẩn là một phần của lý thuyết trường lượng tử, một lý thuyết đã kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp. Ngày nay, hầu hết các thí nghiệm kiểm chứng về 3 lực miêu tả bởi mô hình chuẩn đều đúng như những dự đoán của thuyết này. Tuy nhiên, mô hình chuẩn vẫn chưa là một thuyết thống nhất các lực tự nhiên một cách hoàn toàn, do sự vắng mặt của lực hấp dẫn.

Mô hình chuẩn chứa cả hai loại hạt cơ bản là fermionboson. Fermion là những hạt có spin bán nguyên và tuân thủ theo nguyên lý loại trừ của Wolfgang Pauli, nguyên lý cho rằng không có hai fermion nào có cùng trạng thái lượng tử với nhau. Các hạt boson có spin nguyên và không tuân theo nguyên lý Pauli. Khái quát hóa, fermion là những hạt vật chất còn boson là những hạt truyền tương tác.

Trong mô hình chuẩn, thuyết điện từ - yếu (bao gồm cả tương tác yếu lẫn lực điện từ) được kết hợp với thuyết sắc động lực học lượng tử. Tất cả những thuyết này đều là lý thuyết gauge, có nghĩa là chúng mô hình hóa các lực giữa các fermion bằng cách tạo ra các boson, có tác dụng như các thành phần trung gian. Hệ Lagrangian của mỗi tập hợp hạt boson trung gian không thay đổi dưới một dạng biến đối gọi là biến đổi gauge, vì thế các boson này còn được gọi là gauge boson. Các boson trong Mô hình chuẩn là:

  • Photon, hạt trung gian trong tương tác điện từ.
  • WZ boson, hạt trung gian trong lực hạt nhân yếu.
  • 8 gluon, hạt truyền trung gian trong lực hạt nhân mạnh. 6 trong số các gluon được đánh dấu bằng các cặp "màu" và "đối màu" (ví dụ như một hạt gluon mang màu "đỏ" và "đối đỏ"), 2 gluon còn lại là cặp màu được "pha trộn" phức tạp hơn.
  • Higgs boson, hạt gây ra bất đối xứng trong các nhóm gauge, và cũng là loại hạt tạo ra khối lượng quán tính.

Biến đổi gauge của các gauge boson có thể được miêu tả bởi một nhóm unita, gọi là nhóm gauge. Nhóm gauge của tương tác mạnh là SU(3), nhóm gauge của tương tác yếu là SU(2)xU(1). Vì vậy, mô hình chuẩn thường được gọi là SU(3)xSU(2)xU(1). Higg boson là boson duy nhất không thuộc gauge boson, các tính chất của boson này vẫn còn được bàn cãi. Graviton là boson được cho là hạt truyền tương tác của tương tác hấp dẫn, nhưng không được nhắc đến trong mô hình chuẩn.

Có 12 dạng fermion khác nhau trong mô hình chuẩn. Cùng với các hạt proton, neutronelectron, những fermion cấu thành nền phần lớn các vật chất. Mô hình chuẩn xác định mỗi electron là hạt cơ bản; proton và neutron là hạt tổ hợp, được tạo bởi các hạt nhỏ hơn có tên gọi là quark. Các hạt quark dính với nhau bởi tương tác mạnh. Các hạt fermion cơ bản được nhắc đến trong mô hình chuẩn là:

Các fermion trong mô hình chuẩn
Fermion Symbol Điện tích Weak charge* Weak isospin Hypercharge Màu tích* Khối lượng**
Generation 1
Electron e -1 2 -1/2 -1/2 1 0.511 MeV
Electron neutrino \nu_e 0 2 +1/2 -1/2 1 < 50 eV
Positron e^c 1 1 0 1 1 0.511 MeV
Electron antineutrino \nu_e^c 0 1 0 0 1 < 50 eV
Up quark u +2/3 2 +1/2 +1/6 3 ~5 MeV ***
Down quark d -1/3 2 -1/2 +1/6 3 ~10 MeV ***
Anti-up antiquark u^c -2/3 1 0 -2/3 \bar{3} ~5 MeV ***
Anti-down antiquark d^c +1/3 1 0 +1/3 \bar{3} ~10 MeV ***
Generation 2
Muon \mu -1 2 -1/2 -1/2 1 105.6 MeV
Muon neutrino \nu_\mu 0 2 +1/2 -1/2 1 < 0.5 MeV
Anti-Muon \mu^c 1 1 0 1 1 105.6 MeV
Muon antineutrino \nu_\mu^c 0 1 0 0 1 < 0.5 MeV
Charm quark c +2/3 2 +1/2 +1/6 3 ~1.5 GeV
Strange quark s -1/3 2 -1/2 +1/6 3 ~100 MeV
Anti-charm antiquark c^c -2/3 1 0 -2/3 \bar{3} ~1.5 GeV
Anti-strange antiquark s^c +1/3 1 0 +1/3 \bar{3} ~100 MeV
Generation 3
Tau \tau -1 2 -1/2 -1/2 1 1.784 GeV
Tau neutrino \nu_\tau 0 2 +1/2 -1/2 1 < 70 MeV
Anti-Tau \tau^c 1 1 0 1 1 1.784 GeV
Tau antineutrino \nu_\tau^c 0 1 0 0 1 < 70 MeV
Top quark t +2/3 2 +1/2 +1/6 3 178 GeV
Bottom quark b -1/3 2 -1/2 +1/6 3 ~4.7 GeV
Anti-top antiquark t^c -2/3 1 0 -2/3 \bar{3} 178 GeV
Anti-bottom antiquark b^c +1/3 1 0 +1/3 \bar{3} ~4.7 GeV

Các fermion có thể được sắp xếp trong 3 lớp, lớp thứ nhất có chứa electron, quark trên (up), quark dưới (down) và electron neutrino. Tất cả các vật chất nguyên sinh được tạo bởi nhóm hạt ở lớp đầu tiên; các hạt ở lớp cao hơn phân rã nhanh chóng xuống lớp thứ nhất và chỉ có thể được tổng hợp trong một thời gian thực ngắn, thông qua các thí nghiệm năng lượng cao. Lý do để sắp xếp các fermion vào các lớp khác nhau mặc dù các đặc điểm của chúng gần giống nhau, ví dụ như electron và muon cùng có spin bán nguyên và có cùng điện tích electron, là do khối lượng của muon lớp gấp 200 lần khối lượng của electron và, do đó, chúng được sắp xếp vào các lớp riêng biệt.

Lịch sử[sửa | sửa mã nguồn]

Mô hình chuẩn được phát triển vào nửa cuối thế kỷ 20, và mô hình này là kết quả của sự công tác giữa nhiều nhà khoa học trên toàn cầu.[1] Bước ban đầu đến mô hình chuẩn là Glashow tìm ra một cách mà kết hợp tương tác điện từyếu vào năm 1960.[2] Năm 1967, Weinberg[3]Salam[4] thêm cơ chế Higgs vào lý thuyết điện yếu của Glashow. Kết quả là lý thuyết điện yếu hiện đại.

Sau sự khám phá của dòng trung hoà của boson Z tại CERN năm 1973[5] lý thuyết điện từ được thừa nhận và Glashow, Salam và Weinberg cùng nhau chia giải Nobel vật lý năm 1979 vì việc tìm ra của lý thuyết này. Các hạt boson W và Z được thí nghiệm quan sát lần đầu tiên vào năm 1981 và khối lượng của chúng như lý thuyết điện yếu dự đoán.

Lý thuyết của tương tác mạnh có nhiều người đóng góp. Khoảng chừng vào năm 1973–1974 thực nghiệm xác nhận rằng hạt quark là thành phần của hạt hadron, và lý thuyết của tương tác mạnh có dạng hiện đại kể từ lúc ấy.

Kể từ lúc ấy các thực nghiệm tìm ra các hạt quark đáy (1977), quark đỉnh (1995), và neutrino tau (2000), để mô hình chuẩn thừa nhận hơn nữa. Gần đây hơn có vẻ như hạt Higgs cũng đã được tìm ra (2011–2012), và hạt này là hạt cuối cùng mà mô hình chuẩn dự đoán cần tồn tại và đã chưa được tìm ra.

Các hạt của mô hình chuẩn[sửa | sửa mã nguồn]

Trong mô hình chuẩn có 61 hạt sơ cấp.[6]

Hạt sơ cấp
Loại Thế hệ Phản hạt Màu Tổng số
Quark 2 3 Đôi 3 36
Lepton 2 3 Đôi Không 12
Gluon 1 1 Mình 8 8
W 1 1 Đôi Không 2
Z 1 1 Mình Không 1
Photon 1 1 Mình Không 1
Higgs 1 1 Mình Không 1
Tổng số 61

Fermion[sửa | sửa mã nguồn]

Cấu trúc của spin đồng vị yếu T3, siêu tích yếu YW, và màu tích của mọi hạt sơ cấp mà người ta biết về, quay theo góc pha trộn yếu để cho xem điện tích Q khoảng chừng qua trục đứng. Trường trung hoà Higgs (hình vuông màu xám) phá vớ đối xứng điện yếu và tương tác với hạt khác và cho chúng khối lượng.

Có 12 hạt sơ cấp với spin ½ (được gọi là fermion) trong mô hình chuẩn. Theo định lý spin-thống kê các hạt fermion tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli. Từng hạt fermion có phản hạt của mình.

Có thể phân loại các hạt của mô hình chuẩn theo cách tương tác của chúng (có nghĩa là theo chúng nó có loại điện tích nào, như màu tích hay siêu tích yếu). Có sau hương quark (lên (u), xuống (d), duyên (c), lạ (s), đỉnh (t), và đáy (b)), và sáu loại lepton (electron, neutrino electron, muyon, neutrino muyon, tauon, và neutrino tauon). Một đôi của từng hai loại chung với nhau là một thế hệ, và hạt tương ứng với nhau có hoạt động một cách tương tự.

Đặc tính định nghĩa của hạt quark là chúng nó có màu tích, nên tương tác theo tương tác mạnh. Do một hiệu ứng gọi là sự giam hãm màu, các hạt quark luôn (hay ít nhất kể từ ngay sau vụ nổ lớn) dính lại với nhau, và chúng nó cấu thành hạt tổ hợp có màu tích trung hoà (hạt hadron) chứa hay là một hạt quark và một hạt phản quark (cấu thành một hạt meson), hay là ba hạt quark (hạt baryon). Hạt protonneutron quen thuộc là hai hạt baryon có khối lượng thấp nhất. Các hạt quark cũng có điện tíchspin đồng vị yếu, để chúng nó tương tác với hạt fermion khác theo hai đều tương tác điện từtương tác yếu.

Sau hạt fermion ở lại không có màu tích và chúng nó được gọi là lepton. Ba hạt neutrino cũng không có điện tích, nên chỉ có tương tác yếu ảnh hưởng sự vận động của chúng nó, để các hạt ấy rất khó mà phát hiện. Mặt khác, nhờ điện tích của mình, các hạt electron, muyon, và tauon đều có tương tác điện từ.

Từng thành viên của một thế hệ có khối lượng cao hơn hạt tương ứng của thế hệ dưới. Các hạt có điện tích trong thế hệ đầu tiên không phân rã, nên cả vật chất thường làm bằng hạt này. Nói cụ thể, mọi nguyên tử gồm các hạt electron quay trên quỹ đạo xung quanh hạt nhân, cuối cùng làm bằng quark lên và xuống. Mặt khác, mọi hạt có điện tích của thế hệ thứ hai và ba phân rã với chu kỳ bán rã rất ngắn, và chỉ có thể phát hiện chúng trong môi trường năng lượng rất cao. Các hạt neutrino của mọi thế hệ cũng không phân rã, và chúng nó tràn ngập toàn vũ trụ, dù chúng rất ít khi tương tác với vật chất làm bằng hạt baryon.

Boson chuẩn[sửa | sửa mã nguồn]

Boson Higgs[sửa | sửa mã nguồn]

Các thách thức trước mặt của mô hình chuẩn[sửa | sửa mã nguồn]

Mặc dầu mô hình chuẩn đã có một thành công rất lớn trong việc giải thích các kết quả của thực nghiệm, song nó vẫn chưa thể trở thành một thuyết hoàn chỉnh trong vật lý cơ bản. Đó là do 2 nguyên nhân:

  • Mô hình này còn chứa 19 tham số tự do, như khối lượng của các hạt. Các tham số này không thể tính toán một cách độc lập
  • Mô hình này không miêu tả tương tác hấp dẫn

Hiện tại, mô hình này đang gặp một thử thách không nhỏ, đó là nghi vấn về sự xuất hiện của các hằng số không bền, như c hay e, hay cả hằng số mạng tinh thể. Nếu như các định luật vật lý được chứng mình có vị trí phụ thuộc và có thể khác nhau ở các tọa độ đặc biệt trong không gian, điều đó có nghĩa là tất cả các thí nghiệm sử dụng để chứng minh cho mô hình chuẩn đều không hợp lệ.

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ R. Oerter (2006). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics (Kindle) (bằng tiếng Anh). Penguin Group. tr. 2. ISBN 0-13-236678-9. 
  2. ^ S.L. Glashow (1961). “Partial-symmetries of weak interactions”. Nuclear Physics 22 (4): 579–588. Bibcode:1961NucPh..22..579G. doi:10.1016/0029-5582(61)90469-2. 
  3. ^ S. Weinberg (1967). “A Model of Leptons”. Physical Review Letters 19 (21): 1264–1266. Bibcode:1967PhRvL..19.1264W. doi:10.1103/PhysRevLett.19.1264. 
  4. ^ A. Salam (1968). Trong N. Svartholm. Elementary Particle Physics: Relativistic Groups and Analyticity Eighth Nobel Symposium. Stockholm: Almquvist and Wiksell. tr. 367. 
  5. ^ F.J. Hasert et al. (1973). “Search for elastic muon-neutrino electron scattering”. Physics Letters B 46 (1): 121. Bibcode:1973PhLB...46..121H. doi:10.1016/0370-2693(73)90494-2. 
    F.J. Hasert et al. (1973). “Observation of neutrino-like interactions without muon or electron in the Gargamelle neutrino experiment”. Physics Letters B 46 (1): 138. Bibcode:1973PhLB...46..138H. doi:10.1016/0370-2693(73)90499-1. 
    F.J. Hasert et al. (1974). “Observation of neutrino-like interactions without muon or electron in the Gargamelle neutrino experiment”. Nuclear Physics B 73 (1): 1. Bibcode:1974NuPhB..73....1H. doi:10.1016/0550-3213(74)90038-8. 
    D. Haidt (4 tháng 10 năm 2004). “The discovery of the weak neutral currents”. CERN Courier. Truy cập ngày 8 tháng 5 năm 2008. 
  6. ^ S. Braibant, G. Giacomelli, M. Spurio (2009). Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics. Springer. tr. 313–314. ISBN 978-94-007-2463-1.