Như chúng ta đều biết, vật lý hạt ngày nay là một trong những mũi nhọn hàng đầu của khoa học hiện đại. Nhờ nghiên cứu cấu tạo của vật chất, tương tác giữa các hạt cơ bản mà nhân loại đã tiến rất xa không chỉ trong thế giới quan của mình mà còn trong vô số ứng dụng thiết thực không thể thiếu ngày nay. Chúng ta hãy thử tìm hiểu đôi chút về thế giới của các hạt cơ bản ngày nay đã được biết tới.
Hạt cơ bản (Elementary particle) là những hạt vật chất được coi là nhỏ nhất cấu tạo nên vũ trụ, gồm cả các hạt trực tiếp cấu thành vật chất và những hạt truyền tương tác.
Thế nào là hạt nhỏ nhất?
Đó là các hạt mà nói một cách dễ hiêu là phải đạt yêu cầu cơ bản là không thể phân chia thêm. Giống như xây một ngôi nhà bằng các viên gạch thì các viên gạch được coi là cơ bản, không ai ghép các mẩu nhỏ hơn không phải gạch để thành gạch cả. Bạn có thể nói bạn sẽ đập vỡ nó ra, nhưng các mảnh vỡ đó chẳng qua cũng là gạch thôi, và sẽ đến lúc có đập mãi nó cũng không thể vỡ thêm được. Các hạt cơ bản chính là cái thành phần nhỏ đến mức không thể đập vụn thêm của vật chất, nó không cấu thành từ cái gì cả mà chính nó cấu thành mọi thứ khác.
Về định nghĩa và diễn giải thì là như thế, còn trong thực tế thì loài người đã mất không biết bao nhiêu thời gian để truy tìm các hạt cơ bản. Lịch sử của nó nay đã kéo dài đến hơn 2.000 năm.
Vào thời phát triển thịnh vượng của nền văn minh Hi Lạp, một số nhà khoa học ngày đó đưa ra một khái niệm goi là yếu tố cơ bản (element). Quan niệm về cái gọi là yếu tố nay cũng nhiều. Chẳng hạn như Thales cho rằng tất cả chỉ đều là nước (tất cả sẽ phải về hết với nước). Aristotle lại cho rằng phải có tới 4 yếu tố là đất, không khí, nước và lửa (mô hình này phức tạp hơn và vì vậy cũng phổ biến hơn, nó được đưa khá nhiều vào các tác phẩm từ thần thoại tới viễn tưởng sau này).
Tuy vậy, rất nhiều năm sau, khái niệm nguyên tử mới ra đời khi Dalton (John Dalton 1766 - 1844) phát hiện và đưa ra ý tưởng rằng toàn bộ vật chất cấu tạo từ các phân tử, mỗi phân tử lại do một hoặc nhiều nguyên tử cấu tạo thành. Thuật ngữ Atom (nguyên tử) ra đời do người ta cho rằng đó chính là hạt cơ bản của tự nhiên, các nguyên tử là không thể phân chia thêm.
Vậy nhưng sau này người ta lại phát hiện ra rằng nguyên tử cũng được cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn. Vậy nên nguyên tử không phải hạt không thể phân chia nữa, và người ta phải thêm vào định nghĩa của nó là nó không thể phân chia "trong các phản ứng hóa học". Mặc dù vậy, thuật ngữ vẫn được giữ nguyên, và thực ra sau này số lượng các hạt được tìm thấy ngày càng nhiều và mặt khác chúng lại thuộc các nhóm độc lập với nhau nên khi nói "hạt cơ bản" thì người ta không còn nhất thiết chúng phải là nhỏ nhất nữa mà là chỉ chung các hạt hạ nguyên tử.
Chúng ta nói tiếp đến thế giới các hạt cơ bản ngày nay đã biết
Nguyên tử không phải hạt nhỏ nhất, nó được cấu tạo bởi một hạt nhân trung tâm và các electron (điện tử) chuyển động xung quanh trên các quĩ đạo có năng lượng xác định (mẫu nguyên tử của Borh). Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi các hạt baryon gồm hai loại là proton và neutron.
Trong một thời gian dài, 3 loại hạt nêu trên (neutron, proton, electron) được coi là thành phần cơ bản của vật chất. Nhưng sau đó thì các tương tác cơ bản được cho rằng đều được truyền bởi các loại hạt truyền gọi chung là các boson và dần dần các loại hạt này cũng lần lượt được xác minh bằng thực nghiệm (trừ hạt graviton như sẽ nói dưới đây).
Hiện nay người ta cũng biết rằng proton và neutron cũng được cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn, mỗi proton hoặc neutron được tạo thành bởi 3 hạt quark. Và tất nhiên, cho tới ngày nay việc có hạt nào nho hơn quark hay không thì không thể hoàn toàn chắc chắn, nhiều nhà vật lý tin vào lý thuyết dây (string theory) mà theo đó có một dây cơ bản khi dao động khác nhau thì sẽ biểu hiện khác nhau tương ứng với các hạt và tương tác khác nhau (lưu ý rằng "dây" ở đây được dùng theo nghĩa liên tưởng đến dao động của sợ dây, không có nghĩa là nó có hình dạng như sợi dây trong đời sống hàng ngày). Tuy nhiên lý thuyết này tới nay cũng chưa được chứng minh cụ thể.
Hiện nay, các hạt cơ bản cùng các tương tác được mô tả trong một mô hình tổng quát và thống nhất gọi là Mô hình chuẩn, hay gọi tên đầy đủ hơn là Mô hình chuẩn của vật lý hạt. Mô hình chuẩn này được coi là rất gần với "thuyết về mọi thứ" (theory of everything) vì nó đã mô tả được mọi tương tác của tự nhiên, chỉ trừ tương tác hấp dẫn.
Dưới đây là thế giới hạt cơ bản hiện nay đã được xác nhận
Các hạt cơ bản được chia làm 2 nhóm chính là fermion (các hạt tạo nên vật chất trong vũ trụ) và boson (các hạt truyền tương tác)
Boson gồm các hạt truyền tương tác, có spin nguyên (0, 1, ...)
- photon - hạt truyền tương tác điện từ
- graviton - tương tác hấp dẫn (riêng hạt này là hạt giả thuyết, chưa được tìm thấy trong thực nghiệm và đó cũng là lí do tương tác hấp dẫn không được đưa vào Mô hình chuẩn)
- gluon - tương tác mạnh
- W boson và Z boson - tương tác yếu.
* Higgs boson - loại boson không tham gia truyền tương tác cơ bản, nó là loại hạt có thời gian sống cực ngắn, tràn ngập vũ trụ và gây ra khối lượng cho vật chất qua một cơ chế gọi là trường Higgs. Khác với các boson khác có spin 1, Higgs boson có spin 0. (spin có thể tạm hiểu là một thông số cơ bản của các hạt mô tả xung lượng góc nội tại của hạt).
Fermion gồm 12 loại chia làm 2 nhóm là quark và lepton, tất cả đều có spin bán nguyên (1/2).
Quark gồm 6 loại là up, down, charm, strange, top và bottom (thường được gọi là 6 mùi, mặc dù thực ra chúng không liên quan gì đến mùi mà mũi của chúng ta cảm nhận). Quark là loại hạt tạo thành các hadron gồm baryon và meson. Trong đó vật chất chúng ta thấy hàng ngày có hạt nhân gồm hai loại baryon bền là 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.
Lepton về cơ bản là những hạt rất nhẹ so với quark, chúng gồm 6 loại, trong đó có 3 hạt tham gia tạo thành vật chất trực tiếp và tương ứng với chúng là 3 neutrino tương ứng.
electron - electron neutrino
muon - muon neutrino
tau - tau neutrino
Tất cả những hạt nêu trên còn có một số kết hợp khác nữa để tạo thành một số loại hạt khác, tuy nhiên giới hạn của bài viết không tiện để nêu ra, mặt khác các sự kết hợp đó cũng đương nhiên không được tính là hạt cơ bản, cũng như proton và neutron vậy.
Một số loại hạt khác là các hạt không bền hoặc không đóng vai trò trực tiếp trong các tương tác hàng ngày chúng ta bắt gặp cũng được tạm không nhắc chi tiết.
Lưu ý: riêng hạt graviton chỉ là loại boson lý thuyết, chưa từng được xác nhận bằng thực nghiệm trực tiếp hoặc gián tiếp. Do đó nó không thuộc Mô hình chuẩn của vật lý hạt.
(Vui lòng ghi rõ tên tác giả và nguồn trích dẫn Thienvanvietnam.org khi bạn sử dụng bài viết này)
