Kiến thức Phổ thông

Tìm hiểu Vật lý hạt là gì và danh sách các hạt hạ nguyên tử đã được phát hiện trong 20 năm qua

Một trong những khám phá đáng kinh ngạc nhất của thế kỷ 20 là số lượng hạt tồn tại trong vũ trụ. Mặc dù khái niệm về các hạt cơ bản, không thể phân chia có từ thời Hy Lạp cổ đại (một khái niệm được gọi là nguyên tử), nhưng thực sự cho đến những năm 1900, các nhà vật lý bắt đầu khám phá những gì đang xảy ra bên trong vật chất ở mức độ nhỏ nhất.

Trên thực tế, vật lý lượng tử dự đoán rằng chỉ có 18 loại hạt cơ bản (16 trong số đó đã được phát hiện bằng thí nghiệm). Mục tiêu của vật lý hạt cơ bản là tiếp tục tìm kiếm các hạt còn lại.

Thế nào là hạt cơ bản?

Vào đầu thế kỷ XX, người ta tìm thấy nguyên tử là do điện tử và hạt nhân nguyên tử tạo nên. Nguyên tử đã bé nhưng hạt nhân nguyên tử lại còn bé hơn nhiều. Nếu xem nguyên tử như một toà nhà cao 10 tầng thì hạt nhân nguyên tử chỉ bằng hạt đậu bé tí xíu. Thế nhưng hạt nhân nguyên tử lại có thể chia thành nhiều “phần nhỏ hơn” nữa.

Các “thành phần nhỏ hơn” này đều là “cư dân” của thế giới nguyên tử và có nhiều chủng loại. Ban đầu người ta phát hiện 4 loại: điện tử, quang tử, proton và nơtron. Về sau, người ta lại phát hiện thêm positron (điện tử dương), nơtrino, mezon, siêu tử, variton…, người ta gọi chúng là các hạt cơ bản. Vào năm 1972, Viện nghiên cứu vật lý năng lượng cao của Trung Quốc ở Vân Nam đã đo các tia vũ trụ và phát hiện một hạt nặng mới mang điện là một hyperon.

Vào mùa thu năm 1974, một nhà vật lý quốc tịch Mỹ là giáo sư Đinh Triệu Trung cùng các đồng sự đã phát hiện một loại quang tử nặng mới gọi là hạt J. Vào năm 1979, Đinh Triệu Trung và các cộng sự lại phát hiện một loại hạt cơ bản mới là mezon. Theo lý luận và thực nghiệm, các hạt cơ bản như proton, nơtron do tổ hợp các hạt quac và các mezon tạo nên. Vì vậy ngày nay có người cho proton và nơtron không phải là hạt cơ bản. Theo các số liệu thống kê, hiện tại người ta đã phát hiện gần 400 loại hạt cơ bản và đội ngũ các hạt cơ bản ngày càng được tiếp tục phát hiện và bổ sung.

Trong họ hàng các hạt cơ bản, các hạt khác nhau rất nhiều. Ví dụ một hạt nơtrinô hoặc phản nơtrinô chỉ có khối lượng bằng một phần vạn khối lượng của điện tử. Có điều đáng chú ý là khối lượng tĩnh của quang tử (photon) bằng không. Hạt có khối lượng lớn nhất là các siêu tử. Siêu tử có khối lượng lớn gấp 624000 lần khối lượng điện tử. Chỉ có điều thời gian sống của các siêu tử rất ngắn, chỉ vào khoảng 1 phần tỷ của giây.

Gia đình họ mezon rất nhiều, có loại mang điện dương, có loại mang điện âm, có loại không mang điện, khối lượng của các mezon trung gian giữa điện tử và proton. Có loại mezon có thể xâm nhập vào hạt nhân nguyên tử khơi mào cho các phản ứng hạt nhân.

Người ta còn phát hiện các hạt cơ bản có thể biến đổi qua lại. Ví dụ với các điện tử và dương điện tử: hai loại hạt này có kích thước như nhau, khối lượng như nhau, mang cùng lượng điện chỉ có khác dấu, một loại mang điện âm, một loại mang điện dương. Khi dương điện tử gặp điện tử sẽ biến thành hai photon. Khi một proton gặp một phản proton sẽ mất điện tích và biến thành phản trung tử không tích điện.

Vào tháng 3 năm 1960, nhà vật lý học Trung Quốc Vương Cán Xương trong Hội nghị quốc tế lần thứ IX về vật lý năng lượng cao đã đọc báo cáo về hạt siêu tử là hạt phản sigma tích điện âm (∑). Từ đó có thể thấy các “cư dân” nhỏ bé trong thế giới nguyên tử không phải đứng cô lập mà có liên hệ với nhau, biến hoá lẫn nhau.

Hạt cơ bản có phải là hạt nhỏ nhất, “cơ bản” nhất trong thế giới vật chất không? Thực ra không tồn tại các “hạt cơ bản” không thể chia nhỏ được, người ta thấy càng đi sâu thì càng thấy thế giới các hạt cơ bản là vô cùng, vô tận. Ngày nay người ta đưa ra nhiều lý thuyết liên quan đến các hạt cơ bản. Các nhà vật lý Trung Quốc đưa ra “mô hình lớp hạt”, nhà vật lý nổi tiếng Nhật Bản Bản Điền đưa ra “mô hình Bản Điền”…

Cho dù “cư dân” thế giới nguyên tử có nhỏ nhất đến mức nào, nhưng các nhà khoa học đang cố hết sức đi sâu nỗ lực mở ra màn bí mật của các hạt cơ bản.

Mô hình chuẩn của Vật lý hạt

Mô hình chuẩn của Vật lý hạt là cốt lõi của vật lý hiện đại. Trong mô hình này, ba trong số bốn lực cơ bản của vật lý được mô tả, cùng với các hạt làm trung gian cho các lực này – boson. Về mặt kỹ thuật, lực hấp dẫn không được đưa vào Mô hình chuẩn, mặc dù các nhà vật lý lý thuyết đang nỗ lực mở rộng mô hình để đưa vào lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn.

Các nhóm hạt

Nếu có một điều mà các nhà vật lý hạt dường như rất thích, thì đó là chia các hạt thành các nhóm. Dưới đây là một vài trong số các nhóm mà các hạt tồn tại trong:

Các hạt cơ bản – Thành phần nhỏ nhất của vật chất và năng lượng, những hạt này dường như không được tạo ra từ sự kết hợp của các hạt nhỏ hơn.

Fermion – Fermion là các hạt có hạt bằng giá trị nửa nguyên (-1/2, 1/2, 3/2, v.v.). Những hạt này tạo thành vật chất mà chúng ta quan sát trong vũ trụ của chúng ta.

Quark – Một phân lớp của Fermion, Quark là các hạt tạo nên các hadron, như proton và neutron. Có 6 loại quark khác nhau:

  • Bottom Quark
  • Strange Quark
  • Down Quark
  • Top Quark
  • Charm Quark
  • Up Quark

Lepton – Một phân lớp của fermion. Có 6 loại lepton:

  • Electron
  • Electron Neutrino
  • Muon
  • Muon Neutrino
  • Tau
  • Tau Neutrino

Boson – Boson là các hạt có hạt bằng số nguyên (1, 2, 3, v.v.). Những hạt này là những gì làm trung gian cho các lực cơ bản của vật lý theo các lý thuyết trường lượng tử.

  • Photon
  • Boson
  • Z Boson
  • Glonon
  • Higgs Boson – một phần của Mô hình Chuẩn. Được phát hiện lần đầu tiên vào năm 2012 bởi Máy Va chạm Hadron Lớn.

Graviton – về mặt lý thuyết được dự đoán là một phần của lực hấp dẫn lượng tử, nhưng thực tế không phải là một phần của Mô hình Chuẩn

Hạt tổng hợp

  • Hadrons – Các hạt được tạo thành từ nhiều quark liên kết với nhau.
  • Baryons (fermion)
  • Hạt nhân – proton & neutron
  • Hyperon – các hạt tồn tại ngắn bao gồm các quark lạ
  • Meson (boson)
  • Hạt nhân nguyên tử – proton và neutron hợp lại với nhau để tạo ra hạt nhân nguyên tử
  • Nguyên tử – Khối xây dựng hóa học cơ bản của vật chất, nguyên tử được cấu tạo từ các electron, proton và neutron.
  • Phân tử – Một cấu trúc phức tạp bao gồm nhiều nguyên tử liên kết với nhau. Nghiên cứu về cách các nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành các cấu trúc phân tử khác nhau là nền tảng của hóa học hiện đại.

Lưu ý về phân loại hạt

Thật khó để giữ tất cả các tên trong vật lý hạt, vì vậy có thể hữu ích khi nghĩ về thế giới động vật, nơi đặt tên có cấu trúc như vậy có thể quen thuộc và trực quan hơn. Con người là động vật linh trưởng, động vật có vú và động vật có xương sống. Tương tự, các proton là baryon, hadron và cũng là fermion.

Sự khác biệt đáng tiếc là các thuật ngữ có xu hướng nghe giống nhau. Ví dụ, boson và baryon gây nhầm lẫn hơn nhiều so với các loài linh trưởng và động vật không xương sống. Cách duy nhất để thực sự tách biệt các nhóm hạt khác nhau này là chỉ cần nghiên cứu kỹ chúng và cố gắng cẩn thận về tên nào đang được sử dụng.

Vật chất & các lực: Fermions & Bosons

Tất cả các hạt cơ bản trong vật lý được phân loại là fermion hoặc boson. Vật lý lượng tử chứng minh các hạt có thể có “spin”, hoặc động lượng góc, liên kết với chúng. Một fermion (được đặt tên theo Enrico Fermi) là một hạt có spin nửa nguyên, trong khi boson (được đặt tên theo Satyendra Nath Bose) là một hạt có spin nguyên. Các spin này dẫn đến các ứng dụng toán học khác nhau trong các tình huống nhất định, vượt xa phạm vi của bài viết này. Bây giờ, chỉ cần biết rằng hai loại hạt tồn tại.

Toán học đơn giản hoá về việc thêm số nguyên và nửa số nguyên hiển thị như sau: Kết hợp một số lượng fermion lẻ dẫn đến một fermion (vì tổng số spin vẫn sẽ là một giá trị nửa nguyên). Kết hợp số lượng fermion chẵn dẫn đến một boson (vì tổng số spin bây giờ sẽ là một giá trị nguyên)

Đào sâu vấn đề: Quark & ​​Lepton

Hai thành phần cơ bản của vật chất là quark và lepton. Cả hai hạt hạ nguyên tử này đều là fermion, vì vậy tất cả các boson được tạo ra từ sự kết hợp đồng đều của các hạt này. Quark là các hạt cơ bản tương tác thông qua cả bốn lực cơ bản của vật lý: trọng lực, điện từ, tương tác yếu và tương tác mạnh. Các quark luôn tồn tại kết hợp để tạo thành các hạt hạ nguyên tử được gọi là hadron. Hadrons, chỉ để làm cho mọi thứ thậm chí phức tạp hơn, được chia thành meson (đó là boson) và baryon (là fermion). Proton & neutron là baryon. Nói cách khác, chúng bao gồm các quark sao cho spin của chúng là một giá trị nửa nguyên.

Lepton, mặt khác, là các hạt cơ bản không trải nghiệm tương tác mạnh mẽ. Có ba “loại” lepton: electron, muon và tau. Mỗi hương vị bao gồm một “cặp đôi yếu”, được tạo thành từ hạt nói trên cùng với một hạt trung tính gần như không có khối lượng gọi là neutrino. Do đó, lepton electron là cặp đôi yếu của electron & neutrino electron.

Xem thêm:

Bên trong hố đen vũ trụ là gì? Trống rỗng, đầy phản vật chất hay là chiếc cầu dẫn sang chiều không gian khác?

Khi bạn tìm hiểu về thiên thể này, không ít người tự hỏi rằng bên trong hố đen là gì ...
Xem thêm

Tính chất toán học của sóng

Sóng vật lý, hoặc sóng cơ học , hình thành thông qua sự rung động của môi trường, có thể ...
Xem thêm

Sức căng bề mặt là gì? Định nghĩa, tính chất và thí nghiệm

Hiểu sức căng bề mặt trong vật lý Sức căng bề mặt là hiện tượng bề mặt của chất lỏng, ...
Xem thêm

Nghịch lý sinh đôi là gì?

Được giới thiệu bởi Albert Einstein thông qua lý thuyết tương đối Nghịch lý song sinh là một thí nghiệm ...
Xem thêm

Giới thiệu hình học phân tử, xác định, dự đoán và ví dụ

Sự sắp xếp ba chiều của các nguyên tử trong một phân tử Hình học phân tử hoặc cấu trúc ...
Xem thêm

Tìm hiểu về bầu khí quyển của Sao hỏa

Sao Hoả là một hành tinh thể hiện sự thay đổi khí hậu ở một quy mô lớn. Mặc dù ...
Xem thêm
Back to top button
Close

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker