Language
Country/Area
No result found
Thế giới kỳ diệu của các hạt cơ bản: Vũ trụ của chúng ta thực sự chỉ có 61 loại hạt?
Vật lý hạt là nghiên cứu về các hạt cơ bản tạo nên vật chất và bức xạ cũng như sự tương tác của chúng. Lĩnh vực này bao gồm việc nghiên cứu không chỉ các hạt cơ bản mà còn nghiên cứu vật chất được tạo thành từ các hạt cơ bản, chẳng hạn như proton và neutron. Theo Mô hình Chuẩn, các hạt cơ bản trong vũ trụ được chia thành fermion (hạt vật chất) và boson (hạt truyền lực). Mặc dù có ba thế hệ fermion trong vũ trụ, nhưng vật chất thông thường mà chúng ta tiếp xúc hàng ngày chỉ bao gồm thế hệ fermion đầu tiên, cụ thể là quark lên và quark xuống, electron và neutrino electron.
Có những tương tác phức tạp giữa các hạt cơ bản, được trung gian bởi các boson, bao gồm lực điện từ, lực yếu và lực mạnh.
Điều thú vị là các quark không thể tồn tại độc lập mà tồn tại ở dạng Hadron; các hạt có số lẻ quark trong Hadron được gọi là baryon, trong khi những hạt có số chẵn được gọi là meson. Proton và neutron được cấu tạo chủ yếu từ baryon, chất tạo nên phần lớn vật chất hàng ngày của chúng ta. So với proton và neutron, meson không ổn định và chỉ tồn tại trong vài micro giây.
Mỗi hạt có một phản hạt tương ứng, có cùng khối lượng với hạt nhưng mang điện tích trái dấu. Ví dụ, phản hạt của electron là positron. Điều này có nghĩa là về mặt lý thuyết, sự tồn tại của phản hạt và phản vật chất là có thể.
Nghiên cứu liên quan cho thấy rằng sự tương tác giữa các hạt và phản hạt có thể dẫn đến sự hủy diệt và biến đổi của chúng thành các hạt khác, điều này càng xác nhận tính phức tạp của vật chất.
Đối với một số hạt, chẳng hạn như photon, chúng là phản hạt của chính chúng. Những hạt cơ bản này thực chất là trạng thái kích thích của trường lượng tử, chịu trách nhiệm cho sự tương tác giữa các hạt. Mô hình Chuẩn là lý thuyết thống trị giải thích các hạt cơ bản này và sự tương tác của chúng. Làm thế nào để tích hợp lực hấp dẫn với các lý thuyết vật lý hạt hiện có vẫn là một bài toán chưa có lời giải, như lực hấp dẫn lượng tử vòng, lý thuyết dây và lý thuyết siêu đối xứng, đã được đề xuất để giải quyết vấn đề này.
Bối cảnh lịch sử
Ý tưởng cho rằng vật chất được cấu tạo từ các hạt cơ bản có từ thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên. Đến thế kỷ 19, John Dalton, thông qua công trình nghiên cứu về phép cân bằng hóa học, đã kết luận rằng mọi nguyên tố trong tự nhiên chỉ bao gồm một loại hạt. Nghiên cứu sau đó cho thấy nguyên tử không phải là hạt cơ bản nhất của vật chất mà được cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn như electron.
Sau khi bước vào thế kỷ 20, việc khám phá vật lý hạt nhân và vật lý lượng tử đã dẫn đến việc phát hiện ra hiện tượng phân hạch hạt nhân và phản ứng tổng hợp hạt nhân vào năm 1939, điều này không chỉ thúc đẩy sự phát triển của vũ khí hạt nhân mà còn thúc đẩy sự phát triển của vật lý hạt hiện đại .
Trong suốt những năm 1950 và 1960, nhiều loại hạt khác nhau đã được phát hiện trong các vụ va chạm năng lượng cao. Hiện tượng này, được gọi là "vườn thú hạt", đã truyền cảm hứng cho các nhà vật lý suy nghĩ về những vấn đề mới về sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất.
Sau khi Mô hình Chuẩn được đề xuất, các nhà vật lý tiết lộ rằng "vườn thú hạt" nằm viện này được hình thành bởi sự kết hợp của một số ít hạt cơ bản, đánh dấu sự khởi đầu của vật lý hạt hiện đại.
Giới thiệu về mô hình chuẩn
Việc phân loại hiện nay của tất cả các hạt cơ bản chủ yếu được giải thích bằng Mô hình Chuẩn, mô hình này đã được chấp nhận rộng rãi và xác nhận bằng thực nghiệm vào giữa những năm 1970. Mô hình Chuẩn mô tả ba tương tác cơ bản, mạnh, yếu và điện từ, đồng thời sử dụng các boson trung gian để giải thích chúng, bao gồm tám gluon, boson W−, W+ và Z và photon. Mô hình Chuẩn cũng bao gồm 24 fermion cơ bản (12 loại hạt và phản hạt của chúng), tạo thành các thành phần cơ bản của mọi vật chất.
Mô hình Chuẩn cũng dự đoán sự tồn tại của boson Higgs. Vào ngày 4 tháng 7 năm 2012, các nhà vật lý từ Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN công bố rằng họ đã phát hiện ra một hạt mới hoạt động giống như boson Higgs. Mô hình Chuẩn hiện tại có 61 hạt cơ bản có thể kết hợp để tạo thành các hạt tổng hợp, điều này giải thích cho hàng trăm hạt khác được phát hiện từ những năm 1960.
Mặc dù Mô hình Chuẩn cho thấy mức độ nhất quán cao trong hầu hết các thử nghiệm thực nghiệm, nhưng hầu hết các nhà vật lý hạt đều tin rằng mô tả về bản chất của nó là chưa đầy đủ và đang chờ khám phá một lý thuyết kỹ lưỡng hơn. Phép đo khối lượng neutrino gần đây lần đầu tiên đã gây ra sự sai lệch so với Mô hình Chuẩn, vì neutrino không có khối lượng trong Mô hình Chuẩn.
Tầm nhìn tương lai
Những nỗ lực chính trong tương lai bao gồm việc tìm kiếm các hiện tượng vật lý ngoài Mô hình Chuẩn, chẳng hạn như máy va chạm tròn trong tương lai được đề xuất của CERN và các khuyến nghị từ Nhóm Ưu tiên Chương trình Vật lý Hạt của Hoa Kỳ (P5), nhóm sẽ cập nhật báo cáo nghiên cứu P5 năm 2014 và khuyến nghị nhiều dự án thử nghiệm như thí nghiệm neutrino sâu dưới lòng đất.
Sự tương tác giữa các hạt khác nhau khiến vũ trụ của chúng ta chứa đầy những điều chưa biết và bất ngờ. Có bao nhiêu hạt và tương tác chưa được khám phá đang ẩn giấu trong thế giới hạt sâu vô tận này?
