Người ta thường cho rằng người Hi Lạp cổ đại là những người đầu tiên nhận ra các vật không có kích cỡ, mà có thể cấu tạo nên thế giới xung quanh chúng ta thông qua các tương tác của chúng. Và khi ta có thể quan sát thế giới ngày càng tinh vi nhỏ bé hơn qua các kính hiển vi có năng suất phân giải tăng dần, lẽ tự nhiên là người ta thắc mắc không biết những vật này được cấu tạo bởi cái gì.
Chúng ta tin rằng ta đã tìm thấy một số vật này: các hạt hạ nguyên tử, hay hạt sơ cấp, chúng không có kích cỡ và có thể chẳng có cấu trúc bên trong. Hiện nay ta đang cố tìm lời giải thích cho tính chất của những hạt này và tìm cách chỉ rõ liệu có thể sử dụng những tính chất này như thế nào để giải thích các thành phần của vũ trụ.
Có hai loại hạt sơ cấp: các hạt vật chất, một số hạt này kết hợp lại tạo nên thế giới xung quanh chúng ta, và các hạt lực – một trong những hạt này, photon, là nguyên nhân cho bức xạ điện từ. Những hạt này được phân loại trong mô hình chuẩn của ngành vật lí hạt, lí thuyết mô tả các viên gạch cấu trúc căn bản của vật chất tương tác như thế nào, bị chi phối bởi các hạt lực như thế nào. Các hạt vật chất là fermion còn các hạt lực là boson.
Kỉ nguyên Lepton tồn tại tron 9 giây sau Vụ Nổ Lớn.
Các hạt vật chất: quark và lepton
Các hạt vật chất được chia làm hai nhóm: quark và lepton – mỗi nhóm gồm sáu loại, mỗi loại có một hạt đối tác tương ứng.
Lepton được chia làm ba cặp. Mỗi cặp có một hạt sơ cấp mang điện và một hạt không mang điện – một hạt nhẹ hơn nhiều và cực kì khó phát hiện. Nhẹ nhất trong những cặp này là electron và neutrino electron.
Electron mang điện là nguyên nhân cho dòng điện. Hạt đối tác không mang điện của nó, gọi là neutrino electron, được sản sinh hàng loạt trong mặt trời và những hạt này tương tác yếu với môi trường của chúng đến mức chúng đi xuyên qua Trái đất mà không để lại vết tích gì. Một triệu hạt loại này đi qua mỗi cm2 cơ thể bạn trong mỗi giây, cả ngày lẫn đêm.
Neutrino electron được tạo ra với số lượng không thể tưởng tượng nổi trong các vụ nổ sao siêu mới và chính những hạt này đã phân tán các nguyên tố sinh ra bởi sự đốt cháy hạt nhân vào không gian vũ trụ. Những nguyên tố này bao gồm carbon từ đó tạo nên chúng ta, oxygen mà chúng ta thở, và hầu hết mọi thứ khác trên Trái đất. Do đó, mặc dù bất đắc dĩ lắm các neutrino mới tương tác với các hạt sơ cấp khác, nhưng chúng là thiết yếu cho sự tồn tại của chúng ta. Hai cặp neutrino kia (gọi là muon và neutrino muon, tau và neutrino tau) là các phiên bản hơi nặng hơn electron một chút.
Vì vật chất bình thường không chứa những hạt này nên trông có vẻ không nhất thiết nghiên cứu nhiều về chúng. Tuy nhiên, trong giây thứ nhất đến giây thứ 10 của vũ trụ sau Vụ Nổ Lớn, chúng có một vai trò quyết định trong việc xác lập cấu trúc của vũ trụ trong đó chúng ta sinh sống – gọi là Kỉ nguyên Lepton.
Sáu quark cũng được phân chia thành ba cặp với những cái tên kì cục: “lên” (up) và “xuống” (down), “duyên” (charm) và “lạ” (strange), “đỉnh” (top) và “đáy” (bottom). Các quark lên và xuống kết hợp lại thành proton và neutron nằm tại tâm của mỗi nguyên tử. Một lần nữa, chỉ cặp quark nhẹ nhất được tìm thấy ở vật chất bình thường, còn các cặp duyên/lạ và đỉnh/đáy dường như chẳng có vai trò gì trong vũ trụ như nó tồn tại hiện nay, nhưng, giống như các lepton nặng, chúng có vai trò trong những thời khắc sơ khai của vũ trụ và giúp hình thành nên vũ trụ cho phép sự tồn tại của chúng ta.
Các hạt lực
Có sáu hạt lực trong mô hình chuẩn, chúng tạo ra các tương tác giữa các hạt vật chất. Chúng được chia làm bốn lực cơ bản: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực mạnh và lực yếu.
Photon là hạt ánh sáng và là nguyên nhân gây ra điện trường và từ trường, được tạo ra bởi sự trao đổi photon từ một hạt tích điện này với một hạt tích điện khác.
Gluon tạo ra lực giữ các quark lại với nhau để hình thành proton và neutron, và những giữ các proton và neutron đó lại thành những hạt nhân nặng hơn.
Ba hạt gọi là “W+”, “W-”, và “Z0” – thường gọi là các boson vector trung gian – là nguyên nhân cho quá trình phân hủy phóng xạ và các quá trình xảy ra trong mặt trời làm cho nó tỏa sáng. Hạt lực thứ sáu, graviton, được cho là nguyên nhân cho lực hấp dẫn, nhưng cho đến nay vẫn chưa được quan sát thấy.
Phản vật chất: khoa học viễn tưởng thành thực tại
Chúng ta còn biết sự tồn tại của phản vật chất. Đây là một khái niệm được các nhà văn viết tiểu thuyết khoa học viễn tưởng yêu thích, nhưng nó thật sự có tồn tại. Các hạt phản vật chất được quan sát thấy khá thường xuyên. Ví dụ, positron (phản hạt của electron) được sử dụng trong y khoa để lập bản đồ các cơ quan nội tạng của chúng ta bằng kĩ thuật PET (xạ phát positron). Khi một hạt gặp phản hạt của nó thì chúng hủy lẫn nhau và sinh ra một xung năng lượng. Người ta sử dụng máy quét PET để phát hiện xung này.
Mỗi hạt vật chất ở trên có một hạt đối tác có cùng khối lượng, nhưng điện tích trái dấu, cho nên chúng ta có thể tăng gấp đôi số lượng hạt vật chất (sáu quark và sáu lepton) để thu được con số cuối cùng là 24.
Ta gán cho các quark vật chất một con số +1 và các quark phản vật chất một giá trị -1. Nếu ta cộng gộp số lượng quark vật chất với số lượng quark phản vật chất thì ta thu được tổng số quark trong vũ trụ, và con số này bất biến. Nếu ta có đủ năng lượng ta có thể tạo ra bất kì quark vật chất nào miễn là ta đồng thời tạo ra một quark phản vật chất. Trong những thời khắc sơ khai của vũ trụ, những hạt này đã được tạo ra liên tục – ngày nay chúng chỉ dược tạo ra trong các va chạm của tia vũ trụ với khí quyển của các hành tinh và các sao.
Một thí nghiệm tại LHC
Boson Higgs nổi tiếng
Có một hạt cuối cùng lấp đầy danh sách hạt trong cái gọi là mô hình chuẩn của ngành vật lí hạt đã được mô tả trước đây. Nó là giải thưởng Nobel cho Higgs và Francois Englert.
Boson Higgs là một hạt kì quặc: nó là hạt nặng thứ hai của các hạt mô hình chuẩn và nó không có lời giải thích đơn giản. Nó thường được cho là nguồn gốc của khối lượng, điều đó đúng, nhưng dẫn tới hiểu sai. Nó cấp khối lượng cho các quark, và các quark tạo nên proton và neutron, nhưng chỉ 2% khối lượng proton và neutron được cấp bởi các quark, và phần còn lại là từ năng lượng ở các gluon.
Như vậy, ta đã điểm qua toàn bộ các hạt mà mô hình chuẩn đòi hỏi: sáu hạt lực, 24 hạt vật chất và một hạt Higgs – tổng cộng gồm 31 hạt sơ cấp. Bất chấp những gì ta đã biết về chúng, các tính chất của chúng vẫn chưa được đo lường đủ tốt để cho phép chúng ta nói dứt khoát rằng những hạt này có đủ chưa để tạo nên vũ trụ mà ta thấy xung quanh, và chúng ta chắc chắn chưa có toàn bộ câu trả lời. Đợt chạy tiếp theo của Máy Va chạm Hadron Lớn sẽ cho phép chúng ta tinh chỉnh các phép đo của chúng ta của một số tính chất này – nhưng vẫn còn có nhiều thứ khác nữa.
Lí thuyết vẫn chưa đúng
Lí thuyết đẹp đẽ ấy, mô hình chuẩn, đã được kiểm tra đi, kiểm tra lại trong hơn hai thập kỉ qua; và chúng ta chưa có một số đo nào mâu thuẫn với dự đoán. Nhưng ta biết rằng mô hình chuẩn phải sai. Khi ta cho hai hạt sơ cấp va chạm nhau thì có một số kết cục có thể xảy ra. Lí thuyết của chúng ta cho phép chúng ta tính toán xác suất mà bất kì kết cục nào có thể xảy ra, nhưng ở những năng lượng nằm ngoài tầm với mà ta có thể đạt tới nó dự đoán rằng một số kết cục này xảy ra với xác suất lớn hơn 100% - rõ ràng là phi lí.
Các nhà vật lí lí thuyết đã dành nhiều nỗ lực cố gắng xây dựng một lí thuyết mang lại câu trả lời hợp lí ở mọi mức năng lượng, đồng thời cho câu trả lời giống như mô hình chuẩn trong mỗi trường hợp trong đó mô hình chuẩn đã được kiểm tra.
Lí thuyết cải tiến thông dụng nhất gợi ý rằng có những hạt rất nặng chưa được khám phá. Thực tế chúng có khối lượng lớn nghĩa là sẽ cần rất nhiều năng lượng để tạo ra chúng. Tính chất của những hạt bổ sung này có thể được lựa chọn để đảm bảo rằng lí thuyết thu được mang lại câu trả lời hợp lí ở mọi mức năng lượng, nhưng chúng không có tác động nào lên các phép đo ăn khớp tốt với mô hình chuẩn.
Số lượng hạt chưa được khám phá và cho đến nay chưa được nhìn thấy này phụ thuộc vào lí thuyết mà bạn chọn tin tưởng. Họ hàng phổ biến nhất trong số những lí thuyết này được gọi là các lí thuyết siêu đối xứng và chúng gợi ý rằng toàn bộ các hạt mà chúng ta nhìn thấy có một hạt đối tác nặng hơn nhiều lần. Tuy nhiên, nếu chúng quá nặng, thì trở ngại sẽ phát sinh ở những năng lượng mà chúng ta có thể tạo ra trước khi những hạt này được tìm thấy. Nhưng những năng lượng sẽ đạt tới trong đợt chạy tiếp theo của LHC là đủ cao để sự xuất hiện của những hạt mới sẽ là một làn gió mới làm tươi nguyên mọi lí thuyết siêu đối xứng.
Nguồn: Conservation, PhysOrg.com
![Sách[SMB]: Sổ Tay Kiến Thức Trung Học Phổ Thông: Hóa Học + Vật Lí](https://thuvienvatly.com/images/deals/thumb/sach-smb-so-tay-kien-thuc-trung-hoc-pho-thong-hoa-hoc-vat-li.jpg)
![[Sách] Lịch sử Quang học](/bai-viet/images/stories/quang2/layardlens.jpg)
