Tài liệu Thế giới hạt cơ bản ppt

Thế giới hạt cơ bản
Tác giả: Đặng Vũ Tuấn Sơn
02/09/2007
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 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 2000 năm.
Hi Lạp cổ có mấy bác nghĩ ra cái khái niệm các yếu tố cơ bản (element), như bác Tallet thì nói tất cả chỉ đều là nước (tất cả
sẽ phải về hết với nước), bác Aristotle thì cho rằng phải có tới 4 yếu tố là đất, không khí, nước và lửa. Rồi thì khái niệm
nguyên tử ra đời khi bác 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. Cái từ 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. Rồi khi phát hiện ra rằng nguyên tử
cũng được cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn thì một chuyện hơi buồn cười nảy sinh là người ta đế thêm vào định nghĩa một chút
để nguyên tử trở thành "thành phần không thể phân chia trong các phản ứng hoá học" và cái hay nhất là ở chỗ nhiều nơi lại
nói "phản ứng hoá học là phản ứng xảy ra ở cấp độ nguyên tử", tức là 2 khái niệm đá thằng vào mặt nhau . Nhưng thôi thì
cái tên cũng chỉ là qui ước, không có ảnh hưởng gì cả.
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 quay 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, tên chung của proton và neutron.
Trong một thời gian dài, 3 loại hạt này được coi là thành phần cơ bản của vật chất.
Nhưng sau đó thì ánh sáng được biết đến cũng được cấu tạo bởi các dòng hạt gọi là photon, và lí thuyết lượng tử yêu cầu
rằng tất cả các tương tác của tự nhiên đều phải được truyền bởi các loại hạt, được gọi chung là các hạt boson.
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 - tên chung của 6 loại hạt nặng. và ...
Thế giới hạt cơ bản hiện nay như sau

(đây không phải diễn đàn vật lí nên tôi nói qua thôi và vì giao diện của TVCD hạn chế nên các kí hiệu hạt sẽ tạm bỏ qua, chỉ
nhắc tên và phân loại hạt)
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 - cụ thể là 4 loại tương tác cơ bản/ sẽ nói rõ về các tương tác này sau)
Boson gồm 4 loại cơ bản tương ứng với 4 loại tương tác cơ bản là
- photon - tương tác điện từ
- graviton - tương tác hấp dẫn
- gluon - tương tác mạnh
- weak boson (gồm 2 loại W và Z) - tương tác yếu.
Fermion gồm 12 loại chia làm 2 nhóm là quark - các hạt nặng và lepton - các hạt nhẹ.
Quark gồm 6 loại là up, down, charm, strange, top và bottom. Trong đó vật chất chúng ta thấy hàng ngày có hạt nhân gồm
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 là những hạt rất 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 ở đây do độ dài
hạn chế của bài viết này nên tôi tạm khong 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.
Bản thân bảng hạt này ngày nay tạm được coi là cơ bản, nó vẫn có khả năng được cấu thành từ những hạt nhỏ hơn. Tuy
nhiên hiện nay ngay cả các hạt này cũng chưa phải đã được xác định chính xác, mà chỉ bằng lí thuyết (như graviton) và
các hiệu ứng được tiên đoán (như quark).
Khoảng hơn 20 năm nay là thời kì phát triển mạnh mẽ của một lí thuyết cố gắng thống nhất 4 loại tương tác cơ bản của tự
nhiên và như thế cũng có nghĩa là thống nhất bảng hạt cơ bản về cũng một gốc, đó là lí thuyết dây (string theory), chúng ta
sẽ nói thêm về nó ở một trong những bài tiếp theo.