HẠT CƠ BẢN (PHẦN 1) | Vật Lý Địa Cầu

CÁC HẠT VẬT CHẤT - FEMIONS

Đã bao giờ các bạn tự hỏi, thứ nhỏ nhất cấu tạo nên các vật chất là gì? Có lẽ các bạn sẽ cho rằng đó là nguyên tử. Vậy thứ gì cấu tạo nên nguyên tử? Là Proton, Neutron và Electron. Thế có thứ gì nhỏ hơn cả proton, neutron và electron hay không? Và ngoài 3 loại hạt này ra có còn những hạt nào khác nữa hay không? Bài viết này mình sẽ hệ thống lại cho các bạn bằng ngôn ngữ dễ hiểu nhất về các hạt cơ bản, thứ được cho là không thể phân chia nhỏ hơn nữa ở thời điểm hiện tại, cũng là thứ cấu tạo nên thế giới vật chất của chúng ta ngày nay. Cùng bắt đầu nào!

Tất cả các hạt cơ bản mà con người đã tìm thấy gồm có 17 hạt khác nhau và được tổng hợp trong một mô hình gọi là Mô hình Chuẩn (Standard Model).

Các bạn nên nhìn vào hình ảnh này để đối chiếu với bài viết sẽ dễ hiểu hơn đó.

Trong mô hình chuẩn có hai nhóm: Femions và Bosons. Có một nguyên lý gọi là Nguyên lý loại trừ Pauli, theo đó hai Femions khác nhau không thể có cùng trạng thái lượng tử. Những hạt nào tuân thủ theo nguyên lý đó thì là Femions và những hại còn lại là Bosons. Hiểu nôm na Femions là các hạt vật chất, cấu tạo nên vật chất, còn Bosons là những hạt truyền tương tác. Ví dụ Electron là một loại Femions còn Photon lại là một loại Bosons. Có một cách phân chia các hạt cơ bản một cách dễ hơn đó là Femions thì có spin bán nguyên (1/2,3/2,…) còn Bosons thì có spin nguyên (0,1,2,…). Nhưng ở bài này ta sẽ không đề cập tới spin của các hạt.

Tiếp theo, trong Femions thì có hai nhóm khác nhau là Quarks và Leptons. Trong đó Quarks là những hạt cơ bản chịu sự tác dụng của lực hạt nhân mạnh, là thành phần cấu tạo nên vật chất. Nói một cách chính xác hơn thì Quarks chịu tác dụng của 3 lực cơ bản là Lực hạt nhân mạnh, Lực hạt nhân yếu và Lực điện từ còn Leptons thì chỉ chịu tác dụng của Lực hạt nhân yếu và Lực điện từ mà thôi.

Có tổng cộng 6 Quarks khác nhau theo thứ tự là: Up (u), Down (d), Charm (c), Strange (s), Top (t), Bottom (b). Trong đó Quarks Up và Quarks Down có khối lượng nhỏ nhất trong 6 Quarks. Các Quarks còn lại có khối lượng lớn hơn và nhanh chóng chuyển đổi thành Quarks Up và Quarks Down do sự phân rã của hạt. Vì hai loại Quarks này nhẹ nhất nên chúng thường ổn định và phổ biến nhất trong vũ trụ, còn các loại Quarks còn lại chỉ được tạo ra do sự va chạm năng lượng cao (trong các máy gia tốc hạt hoặc các tia vũ trụ). Trong 6 Quarks thì Quarks Top có khối lượng lớn nhất, còn Quarks Up và Down thì xấp xỉ nhau. Proton được tạo nên từ hai Quarks Up và một Quarks Down (uud), còn Neutron thì được tạo nên từ hai Quarks Down và một Quarks Up (udd).

Về điện tích, các Quarks Up, Charm, Top có điện tích là 2/3. Còn các quarks Down, Strange, Bottom có điện tích là -1/3. Các bạn rất dễ nhì thấy sự phân chia này trong bảng về Mô hình Chuẩn ở link trên, các Quarks có điện tích là 2/3 thì được xếp cùng với nhau và nằm trên còn các Quarks có điện tích là -1/3 thì nằm ở dưới. Theo đó, Proton được tạo thành từ hai Quarks Up và một Quarks Down có điện tích là 2/3+2/3+(-1/3)=1. Còn Neutron được tạo thành từ hai Quarks Down và một Quarks Up có điện tích là (-1/3)+(-1/3)+2/3=0.

Nếu đã nói đến Proton và Neutron thì không thể không nhắc tới Electron được. Electron là loại Leptons phổ biến nhất trong tự nhiên, chi phối mọi phản ứng hóa học cũng như đóng vai trò quyết định trong hóa trị của các nguyên tố cũng như của Obitan nguyên tử mà ta đã học. Leptons có hai loại là các Leptons mang điện bao gồm hạt Electron, Muon và Tau. Cả ba hạt nói trên đều có điện tích là -1 và chỉ khác nhau ở khối lượng. Hạt Muon nặng hơn 200 lần Electron còn Tau nặng hơn 3400 lần Electron. Loại Leptons còn lại không mang điện gọi là Neutrino, theo thứ tự là Electron Neutrino, Muon Neutrino và Tau Neutrino. Tồn tại trong tự nhiên phần lớn là Electron, còn hạt Muon và Tau thì không bền, chúng chỉ tồn tại trong một phần rất nhỏ của một giây. Hạt Muon trong tự nhiên hình thành khi các tia vũ trụ va vào bầu khí quyển Trái Đất còn hạt Tau chỉ được tạo nên trong máy gia tốc hạt. Nhà khoa học tìm ra hạt Moun và các tính chất của nó đã từng hỏi rằng “Ai cho phép mày tồn tại trên đời?”. Các bạn có thắc mắc tương tự không? Thế giới vật chất vốn dĩ nên thật đơn giản, các nguyên tử chỉ cần là sự tổ hợp của các Quarks Up và Down cùng với các Electron là đủ rồi. Tại sao lại phải có thêm Muon và Tau khi mà chúng chẳng khác mấy so với Electron và cũng chẳng bền trong tự nhiên.

Nếu để ý một chút thì các bạn sẽ thấy tên gọi của các Leptons mang điện và Neutrino khá giống nhau. Electron và Neutrino Electron gọi là thế hệ thứ nhất, tương tự đối với cặp của Muon là thế hệ thứ 2 và của Tau là thế hệ thứ 3. Hai hạt trong cùng một thế hệ sẽ thường xuất hiện cùng nhau trong các phản ứng, các thế hệ gần như đều cư xử giống nhau và chỉ khác là thế hệ sau thì nặng hơn thế hệ trước. Hai hạt trong một thế hệ luôn có mối liên quan mật thiết với nhau và điều này được thể hiện rõ nhất thông qua Lực hạt nhân yếu. Cụ thể, Lực hạt nhân yếu là yếu tố quyết định cho phản ứng nhiệt hạch trong lõi các ngôi sao, trong các nhà máy hạt nhân và gần gũi nhất chính là sự phóng xạ Beta của các nguyên tố phóng xạ mà ta đã học ở năm lớp 12. Theo đó một Neutron (udd) dưới tác dụng của lực hạt nhân yếu bị biến đổi thành Proton (uud), tức là một Quarks Down biến thành một Quarks Up rồi giản phóng ra hạt Bosons W-, hạt này không bền nên biến đổi thành một hạt Electron (-1) và một Electron Antineutrino (phản hạt của Electron Neutrino). Hiện tượng này gọi là Phân rã Beta trừ. Ở trường hợp ngược lại, tức là Phân rã Beta cộng, một Proton (uud) nhận năng lượng và biến đổi thành một Neutron (udd), sau đó giải phóng ra một hạt Positron (e+) và một hạt Electron Neutrino. Positron là phản hạt của Electron, giống hệt Electron ngoại trừ có điện tích là +1. Ở Vật lý lớp 12 chúng ta chỉ được học về hai loại phân rã Beta với sự tham gia của Electron và Positron chứ không được nhắc đến hạt Neutrino, dù sao thì hạt này cũng trung hòa về điện và khối lượng cũng quá nhỏ bé, nhỏ hơn rất nhiều so với Electron. Ngay khi bạn đọc những dòng này thì có hàng tỷ Electron Neutrino đi xuyên qua cơ thể bạn rồi đấy, tất cả chúng đều có nguồn gốc từ Mặt Trời. Vì không mang điện tích nên Neutrino tỏ ra khá ‘trơ’ và khó để nắm bắt được sự tồn tại của chúng.

Trên đây là tổng hợp của mình về nửa đầu tiên của Mô hình Chuẩn – Femions. Phần 2 của bài viết sẽ tập trung nói về nửa còn lại, các hạt truyền tương tác – Bosons. Hãy theo dõi fanpage để học được những kiến thức thú vị nhé.

-----------------------------------

Nguồn tham khảo: Wikipedia tiếng Anh các từ khóa Quarks, Lepton, Meson, Hadron, Baryon, Bosons, Standard Model, QCD, QED, Elementary Particles,…,Tạp chí Tia Sáng.