Hạt sơ cấp

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Buớc tưới chuyển hướng Bước tới tìm kiếm
Các hạt sơ cấp trong Mô hình Chuẩn

Hạt sơ cấp (tiếng Anh: elementary particle) hay còn gọi là hạt cơ bản, là các hạt hạ nguyên tử không có các cấu trúc phụ, không được cấu tạo từ những hạt khác. [1] Vì thế hạt sơ cấp được coi là tồn tại như một hạt nguyên vẹn, đồng nhất, 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 quarkphản lepton), "các hạt lực" làm trung gian tương tác giữa các hạt fermion thuộc họ hạt boson (gauge bosonsHiggs boson). Một hạt chứa hai hoặc nhiều hạt cơ bản là một hạt tổng hợp.

Vật chất chúng ta tiếp xúc hàng ngày bao gồm các nguyên tử, từng được coi 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, vì một số nhà vật lý hàng đầu coi các phân tử là ảo ảnh toán học, và cuối cùng là năng lượng của vật chất.[1][2] Chẳng bao lâu, các thành phần hạ nguyên tử của nguyên tử đã được xác định. Khi những năm 1930 mở ra, electron và proton đã được phát hiện, cùng với photon, hạt của bức xạ điện từ.[1] Vào thời điểm đó, sự ra đời gần đây của cơ học lượng tử đang làm thay đổi hoàn toàn quan niệm về các hạt, vì một hạt dường như có thể bao trùm một trường như một sóng, một nghịch lý vẫn lảng tránh lời giải thích thỏa đáng.[3][4]

Thông qua lý thuyết lượng tử, các protonneutron đã được tìm thấy có chứa hạt quark. Các hạt quark lênquark xuống hiện nay được coi là các hạt sơ cấp.[1] Và trong một phân tử, ba bậc tự do của electron (điện tích, spin, quỹ đạo) có thể được tách ra thông qua hàm sóng thành ba quasiparticles (holon, spinon, orbiton).[5] Tuy nhiên, một hạt electron tự do không quay quanh hạt nhân nguyên tử và thiếu chuyển động quỹ đạo, có vẻ như không thể chấp nhận được nhưng vẫn được coi là một hạt cơ bản. [5]

Khoảng năm 1980, trạng thái của một hạt cơ bản lúc đó được coi là cấu thành cuối cùng của chất, sau đó đã bị loại bỏ vì một triển vọng thực tế hơn,[1] được thể hiện trong Mô hình chuẩn của vật lý hạt hiện đại, đây là lý thuyết thành công nhất về mặt thực nghiệm của khoa học.[4][6] Nhiều công trình dựa trên và các lý thuyết ngoài Mô hình Chuẩn, bao gồm siêu đối xứng phổ biến, nhân đôi số lượng hạt cơ bản bằng cách đưa ra giả thuyết rằng mỗi hạt được biết đến liên kết với một đối tác "bóng tối" lớn hơn nhiều,[7][8]mặc dù tất cả các siêu đối tác như vậy vẫn chưa được khám phá [6][9] Trong khi đó, một trọng lực trung gian boson cơ bản là hạt graviton vẫn còn là giả thuyết.[1]

Tổng quát[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Mô hình chuẩn

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 Dir Dirac và boson tuân theo số liệu thống kê của Bose-Einstein.[1] 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 cho tiện ích dự đoán dưới dạng các hạt điểm. Mặc dù rất thành công, nhưng 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..[10]


Tính chất của các hạt sơ cấp[sửa | sửa mã nguồn]

Khối lượng nghỉ[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Khối lượng nghỉ

Khối lượng nghỉ hay khối lượng tĩnh của một vật là khối lượng của vật xét trong một hệ quy chiếu mà theo hệ đó, vật là đứng yên. Đại đa số vật chất, trừ phôtônnơtrinô, đều có khối lượng nghỉ khác không.

Thời gian tồn tại[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Chu kỳ bán rã

Các hạt sơ cấp đa số có thể phân rã thành các hạt khác. Thời gian sống của chúng dao động từ 10−6 đến 10−24 giây. Một số ít hạt sơ cấp được gọi là bền, có thời gian sống rất lớn, có thể coi là bền như electron 1022 năm, prôtôn 1030 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[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Điện tích

Một số hạt trung hòa về điện có điện tích bằng không như phôtôn γ và nơtrinô ν. Một số hạt khác mang điện tích âm hoặc dương, với trị số tuyệt đối đều bằng điện tích nguyên tố của electron 1.602 x 10−19 C

Spin[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Spin

Số lạ[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Số lạ

Số lạ là đại lượng đặc trưng lượng tử của các hạt sơ cấp, được đưa ra khi nghiên cứu quá trình phân rã của các hạt mêzôn K: K+, K0, và hyperon Υ: Λ0, Σ+, Σ0, Σ- tuân theo định luật bảo toàn số lạ

Số Baryon[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Số Baryon

Phản hạt[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Phản hạt

Phân loại các hạt sơ cấp[sửa | sửa mã nguồn]

Các hạt sơ cấp được chia làm 2 nhóm chính là fermion (các hạt tạo nên vật chất trong vũ trụ) và boson (các hạt truyền tương tác).

Hạt Fermion[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Fermion

Fermion gồm 12 loại chia làm 2 nhóm là quark - các hạt nặng và lepton - các hạt nhẹ. Quark gồm sáu loại là up, down, charm, strange, top và bottom. Trong đó vật chất chúng ta thấy hàng ngày có hạt nhân gồm neutron và proton, ở đó neutron được tạo thành bởi 3 quark, 1 up và 2 down còn proton là 2 up và 1 down.

Các hạt fermionspin bán nguyên, ½. Mỗi hạt fermion đều có một phản hạt riêng. Fermion là hạt sơ cấp cấu thành nên vật chất. Chúng được phân loại dựa theo tương tác trong thuyết sắc động học lượng tử và theo mô hình chuẩn có 12 hương của fermion cơ bản, bao gồm 6 quark và 6 lepton.

Các quark[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Quark

Các quark tương tác với nhau bởi lực màu (color force), mỗi quark đều có phản hạt và tồn tại ở 6 hương.

Hệ Tương Điện tích Khối lượng (MeV/c²) Phản quark
1 Trên (u) +⅔ 1.5 to 4 Phản quark trên:
Dưới (d) −⅓ 4 to 8 Phản quark dưới:
2 Lạ (s) −⅓ 80 to 130 Phản quark lạ:
Duyên (c) +⅔ 1,150 to 1,350 Phản quark duyên:
3 Đáy (b) −⅓ 4,100 to 4,400 Phản quark đáy:
Đỉnh (t) +⅔ 178,000 ± 4,300 Phản quark đỉnh:

Các lepton[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: lepton

Lepton (tiếng Hy LạpΛεπτόν) có nghĩa là "nhỏ" và "mỏng". Tên này có trước khi khám phá ra các hạt tauon, một loại hạt lepton nặng có khối lượng gấp đôi khối lượng của proton.

Lepton là hạt có spin bán nguyên, ½, và không tham gia trong tương tác mạnh. Lepton hình thành một nhóm hạt sơ cấp phân biệt với các nhóm gauge bosonquark.

Có 12 loại lepton được biết đến, bao gồm ba loại hạt vật chất là electron, muontauon, cùng 3 neutrino tương ứng và 6 phản hạt của chúng. Tất cả các lepton điện tích đều có điện tích là -1 hoặc + 1 (phụ thuộc vào việc chúng là hạt hay phản hạt) và tất cả các neutrino cùng phản neutrino đều có điện tích trung hòa. Số lepton của cùng một loại được giữ ổn định khi hạt tham gia tương tác, được phát biểu trong 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[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: boson

Boson 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 (gồm hai loại W và Z) - tương tác yếu.

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 13 loại hạt boson cơ bản:

Hiện tại, các thuyết vật lý dự đoán về sự tồn tại của một số boson khác như:

Tương tác của các hạt sơ cấp[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Lực cơ bản

Tương tác mạnh[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Tương tác mạnh

Tương tác mạnh là 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.

Tương tác điện từ[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Tương tác điện từ

Tương tác yếu[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Tương tác yếu

Tương tác hấp dẫn[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Tương tác hấp dẫn

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ a ă â b c d đ Sylvie Braibant; Giorgio Giacomelli; Maurizio Spurio (2012). Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics (ấn bản 2). Springer. tr. 1–3. ISBN 978-94-007-2463-1. 
  2. ^ Ronald Newburgh; Joseph Peidle; Wolfgang Rueckner (2006). “Einstein, Perrin, and the reality of atoms: 1905 revisited” (PDF). American Journal of Physics 74 (6): 478–481. Bibcode:2006AmJPh..74..478N. doi:10.1119/1.2188962. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 3 tháng 8 năm 2017. Truy cập ngày 17 tháng 8 năm 2013.  Đã bỏ qua tham số không rõ |url-status= (trợ giúp)
  3. ^ Friedel Weinert (2004). The Scientist as Philosopher: Philosophical Consequences of Great Scientific Discoveries. Springer. tr. 43, 57–59. Bibcode:2004sapp.book.....W. ISBN 978-3-540-20580-7. 
  4. ^ a ă Meinard Kuhlmann (24 tháng 7 năm 2013). “Physicists debate whether the world is made of particles or fields—or something else entirely”. Scientific American. 
  5. ^ a ă Zeeya Merali (18 tháng 4 năm 2012). “Not-quite-so elementary, my dear electron: Fundamental particle 'splits' into quasiparticles, including the new 'orbiton'”. Nature. doi:10.1038/nature.2012.10471. 
  6. ^ a ă Ian O'Neill (24 tháng 7 năm 2013). “LHC discovery maims supersymmetry, again”. Discovery News. Truy cập ngày 28 tháng 8 năm 2013. 
  7. ^ Particle Data Group. “Unsolved mysteries—supersymmetry”. The Particle Adventure. Berkeley Lab. Truy cập ngày 28 tháng 8 năm 2013. 
  8. ^ National Research Council (2006). Revealing the Hidden Nature of Space and Time: Charting the Course for Elementary Particle Physics. National Academies Press. tr. 68. Bibcode:2006rhns.book....... ISBN 978-0-309-66039-6. 
  9. ^ “CERN latest data shows no sign of supersymmetry—yet”. Phys.Org. 25 tháng 7 năm 2013. Truy cập ngày 28 tháng 8 năm 2013. 
  10. ^ Sylvie Braibant; Giorgio Giacomelli; Maurizio Spurio (2012). Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics (ấn bản 2). Springer. tr. 384. ISBN 978-94-007-2463-1. 

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]