Hạt sơ cấp là gì? Các đặc trưng, phân loại và sự tương tác?

1. Hạt sơ cấp là gì?

Hạt sơ cấp hay còn gọi là hạt cơ bản, là các hạt hạ nguyên tử không có các cấu trúc phụ, không được cấu tạo từ những hạt khác. Vì thế hạt sơ cấp được coi là tồn tại như một hạt nguyên vẹn, đồng nhất, không thể tách thành các phần nhỏ hơn. 

Trong lĩnh vực vật lý hạt nhân và vật lý hạt, hạt sơ cấp là các hạt cơ bản không thể phân tách thành các cấu thành nhỏ hơn bằng các phương pháp hiện tại và được coi là các yếu tố cơ bản của vũ trụ.

Trước khi khám phá các hạt sơ cấp, người ta cho rằng nguyên tử là hạt sơ cấp nhỏ nhất của chất và không thể chia nhỏ hơn. Tuy nhiên, nhờ các nỗ lực nghiên cứu và sự phát triển của vật lý hạt nhân, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng nguyên tử không phải là hạt sơ cấp mà được cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn, bao gồm proton, neutron và electron.

Cho đến thời điểm hiện tại, các hạt được cho là sơ cấp bao gồm: các loại “hạt vật chất” và “hạt phản vật chất” thuộc họ fermion (quark, lepton, phản quark và phản lepton), và “các hạt lực” làm trung gian tương tác giữa các hạt fermion thuộc họ hạt boson (gauge bosons và Higgs boson). Các hạt sơ cấp được mô tả bởi Mô hình Chuẩn của vật lý hạt hiện đại, đây là lý thuyết thành công nhất về mặt thực nghiệm của khoa học. Các lý thuyết ngoài Mô hình Chuẩn, như siêu đối xứng, đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của các hạt sơ cấp khác, nhưng chúng vẫn chưa được khám phá. Một trong những hạt sơ cấp giả thuyết quan trọng nhất là graviton, là trung gian của lực trọng lực. 

Các hạt sơ cấp bao gồm các hạt nguyên tử như proton, neutron và electron, cũng như các hạt phân tử như photon, gluon và boson. Các hạt sơ cấp có thể tương tác với nhau qua bốn loại lực cơ bản: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Các hạt sơ cấp được nghiên cứu bởi vật lý hạt, một lĩnh vực khoa học khám phá cấu trúc và tính chất của vật chất ở mức độ nhỏ nhất.

Các hạt sơ cấp này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và mô tả các tương tác và cấu trúc cơ bản của vũ trụ. Các nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý hạt nhân và vật lý hạt nhằm khám phá và hiểu sự tồn tại và tính chất của các hạt sơ cấp, đồng thời xây dựng các mô hình để giải thích và dự đoán các hiện tượng vật lý trong vũ trụ.

2. Các đặc trưng của Hạt sơ cấp:

2.1. Khối lượng nghỉ:

Khối lượng nghỉ của Hạt sơ cấp là một khái niệm quan trọng trong vật lý hạt nhân. Nó cho biết sự khác biệt giữa khối lượng của một hạt sơ cấp và tổng khối lượng của các hạt thành phần của nó. Khối lượng nghỉ của Hạt sơ cấp có thể được tính bằng công thức sau:

Khối lượng nghỉ của Hạt sơ cấp = Khối lượng của hạt sơ cấp – Tổng khối lượng của các hạt thành phần

Khối lượng nghỉ của Hạt sơ cấp có ý nghĩa vì nó liên quan đến năng lượng giải phóng khi một hạt sơ cấp được tạo ra hoặc phân rã. Theo định luật bảo toàn năng lượng, khối lượng nghỉ của Hạt sơ cấp chuyển đổi thành năng lượng theo công thức Einstein:

Năng lượng = Khối lượng nghỉ của Hạt sơ cấp x (Vận tốc ánh sáng)^2

Ví dụ, khi một nguyên tử hydro được tạo ra từ hai proton và một electron, khối lượng nghỉ của Hạt sơ cấp là 0.014 kg. Điều này có nghĩa là có 1.26 x 10^15 J năng lượng được giải phóng trong quá trình này.

2.2. Thời gian tồn tại:

Các hạt sơ cấp bao gồm các hạt vật chất, hạt phản vật chất và các hạt lực. Các hạt vật chất và phản vật chất thuộc họ fermion, là những hạt có spin bán nguyên lẻ (như 1/2, 3/2, …) và tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli. Các hạt lực thuộc họ boson, là những hạt có spin nguyên (như 0, 1, 2, …) và tuân theo số liệu thống kê Bose-Einstein. Các hạt lực làm trung gian cho các tương tác giữa các fermion. Các hạt sơ cấp có thể phân rã thành các hạt khác, ngoại trừ một số ít được gọi là bền. Thời gian tồn tại của các hạt sơ cấp dao động từ 10^-6 đến 10^-24 giây. Các hạt bền như electron và proton có thời gian sống rất lớn, lên đến 10^22 và 10^30 năm. Người ta nghiên cứu thời gian sống của hạt sơ cấp thông qua lý thuyết xác suất, dựa trên thời gian để một số lượng n hạt sơ cấp phân rã chỉ còn lại 0.5n hạt.

2.3. Điện tích:

Điện tích của Hạt sơ cấp là một tính chất cơ bản và không đổi của một số hạt hạ nguyên tử, đặc trưng cho sự tương tác điện từ giữa chúng. Các hạt sơ cấp trong Mô hình Chuẩn bao gồm các loại fermion (quark, lepton và phản hạt của chúng) và các loại boson (gauge boson và Higgs boson). Các hạt fermion có điện tích là bội số nguyên của điện tích nguyên tố e, trong khi các hạt boson có thể có điện tích bằng không hoặc bằng e. 

Điện tích của một hạt phản vật chất bằng về độ lớn nhưng trái dấu so với điện tích của hạt đó. Điện tích tạo ra trường điện từ và cũng như chịu sự ảnh hưởng của trường điện từ. Sự tương tác giữa hai điện tích điểm được mô tả bởi định luật Coulomb, theo đó lực giữa chúng tỉ lệ thuận với tích của hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Điện tích được đo bằng đơn vị Coulomb (C), được định nghĩa là lượng điện tích di chuyển qua một mặt cắt trong một giây khi có dòng điện là một ampe. Điện tích nguyên tố e có giá trị xấp xỉ là 1,602176634×10^−19 C.

2.4. Spin:

Spin của hạt sơ cấp là một đại lượng vật lý mô tả sự xoay của hạt sơ cấp quanh trục của nó. Spin là một loại động lượng xoắn, giống như động lượng tuyến tính là một loại động lượng dịch chuyển. Spin của hạt sơ cấp có thể có giá trị bằng một số nguyên hoặc một số nửa nguyên, tùy thuộc vào loại hạt. 

Ví dụ, các hạt bốn số như proton, neutron, pion hay kaon có spin bằng 1/2, trong khi các hạt véc tơ như photon, gluon, W hay Z có spin bằng 1. Spin của hạt sơ cấp không thể thay đổi theo thời gian và là một đặc trưng cơ bản của hạt.

2.5. Số lạ:

Số lạ của Hạt sơ cấp là một khái niệm toán học được đưa ra bởi nhà toán học người Pháp Édouard Lucas vào năm 1876. Số lạ của Hạt sơ cấp là số nguyên dương mà không thể được phân tích thành tích của các số nguyên tố nhỏ hơn hoặc bằng Hạt sơ cấp. Hạt sơ cấp là số nguyên tố thứ n trong dãy số nguyên tố, bắt đầu từ 2. 

Ví dụ, số 2, 3, 4, 7, 8, 11, 13, 16, 19, … là các số lạ của Hạt sơ cấp, vì chúng không thể được phân tích thành tích của các số nguyên tố nhỏ hơn hoặc bằng số nguyên tố thứ n. Số lạ của Hạt sơ cấp có một số tính chất thú vị và được nghiên cứu trong lý thuyết số.

2.6. Số Baryon:

Số Baryon là một số lượng tử bảo toàn trong các quá trình vật lý liên quan đến tương tác mạnh. Nó được định nghĩa là hiệu số giữa số hạt baryon và số hạt phản baryon trong một hệ. Các hạt baryon là các hạt hadron có spin bán nguyên, chứa ba quark hoặc ba phản quark. Ví dụ, proton và neutron là các hạt baryon, còn phản proton và phản neutron là các hạt phản baryon. Số Baryon của một hạt baryon là +1, còn của một hạt phản baryon là -1. Số Baryon của các hạt khác như lepton, boson hay hạt sơ cấp là 0.  

Số Baryon được coi là một đại lượng liên tục, có nghĩa là nó có thể nhận các giá trị liên tục trong một khoảng nào đó. Tuy nhiên, trong thực tế, Số Baryon chỉ có thể nhận các giá trị nguyên, vì các quá trình vật lý không thể tạo ra hoặc tiêu hủy các hạt baryon hoặc phản baryon riêng lẻ. Các quá trình như vậy sẽ vi phạm nguyên tắc bảo toàn Số Baryon. Do đó, Số Baryon của một hệ luôn được giữ nguyên trong các quá trình tương tác mạnh hay điện từ.  

Một số ví dụ về Số Baryon:

– Một nguyên tử hydro có một proton và một electron. Số Baryon của nó là +1, vì proton là một hạt baryon (+1), còn electron là một lepton (0).

– Một nguyên tử heli có hai proton, hai neutron và hai electron. Số Baryon của nó là +2, vì proton và neutron đều là các hạt baryon (+1), còn electron là một lepton (0).

– Một phân tử nước có hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy. Số Baryon của nó là +10, vì oxy có tám proton và tám neutron (+16), còn hydro có hai proton (+2), và tổng số electron là 10 (0).

– Một hạt pi-zero là một meson, chứa một quark và một phản quark. Số Baryon của nó là 0, vì quark có Số Baryon (+1), còn phản quark có Số Baryon (-1).

2.7. Phản hạt:

Phản hạt là những hạt sơ cấp có khả năng phản ứng với các hạt sơ cấp khác để tạo ra các loại hạt mới. Phản hạt có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, như khối lượng, điện tích, spin, màu sắc, v.v. 

Một số ví dụ về phản hạt là phản proton, phản neutron, phản electron và phản neutrino. Phản hạt có vai trò quan trọng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân và vật lý hạt cơ bản, bởi vì chúng cho phép kiểm tra các định luật bảo toàn và các lý thuyết về cấu trúc và tương tác của các hạt sơ cấp.

3. Phân loại hạt sơ cấp:

Các hạt sơ cấp được phân loại theo khối lượng, điện tích, spin và tương tác. Các hạt sơ cấp bao gồm:

– Các hạt vật chất và phản vật chất thuộc họ fermion, có spin bán nguyên. Có hai loại fermion là quark và lepton. Quark có ba màu sắc (đỏ, xanh lá, xanh dương) và mang điện tích phân số (+2/3 hoặc -1/3). Lepton không có màu sắc và mang điện tích nguyên (+1, 0 hoặc -1). Mỗi loại fermion có sáu thế hệ, mỗi thế hệ gồm một cặp hạt và phản hạt. Ví dụ: electron và positron là lepton thế hệ thứ nhất, quark lên và quark xuống là quark thế hệ thứ nhất.

– Các hạt lực thuộc họ boson, có spin nguyên. Có bốn loại boson là photon, gluon, boson W và Z, và boson Higgs. Photon là hạt của ánh sáng và tương tác điện từ, không có khối lượng và điện tích. Gluon là hạt của lực mạnh, không có khối lượng và điện tích, nhưng có màu sắc. Boson W và Z là hạt của lực yếu, có khối lượng rất lớn và mang điện tích (+1, 0 hoặc -1). Boson Higgs là hạt mới được phát hiện năm 2012, có khối lượng rất lớn và không mang điện tích, liên quan đến trường Higgs gây ra khối lượng cho các hạt khác.

Các hạt sơ cấp có thể tự phân rã thành các hạt khác hoặc kết hợp với nhau để tạo thành các hạt tổng hợp. Ví dụ: proton là một hạt tổng hợp gồm hai quark lên và một quark xuống; piôn là một mêzon gồm một quark và một quark phản; nơtron là một nơtrinô gồm một lepton và một lepton phản.

4. Sự tương tác của hạt sơ cấp:

Hạt sơ cấp tương tác với nhau thông qua các lực cơ bản trong vũ trụ. Các lực này được mô tả bởi các lý thuyết vật lý riêng biệt. Dưới đây là các lực tương tác chính trong mô hình tiêu chuẩn:

– Lực điện từ: Được mô tả bởi lý thuyết điện từ, lực điện từ giải thích tương tác giữa các hạt mang điện như electron và proton. Nó là lực mạnh nhất trong các lực cơ bản và có phạm vi vô hạn. Lực điện từ được truyền tải bởi photon.

– Lực yếu: Được mô tả bởi lý thuyết yếu, lực yếu giải thích tương tác giữa các hạt lepton và quark. Nó có phạm vi rất ngắn và yếu hơn lực điện từ. Lực yếu được truyền tải bởi các boson trung gian W⁺, W⁻ và Z⁰.

– Lực mạnh: Được mô tả bởi lý thuyết mạnh, lực mạnh giải thích tương tác giữa các quark. Nó là lực mạnh nhất trong các lực cơ bản. Lực mạnh được truyền tải bởi gluon.

Ngoài ra, còn có một lực cơ bản khác là trọng lực, được mô tả bởi lý thuyết tổ hợp của Einstein, gọi là lý thuyết tương đối và lý thuyết trường tổng quát. Tuy nhiên, trọng lực không được tính đến trong mô hình tiêu chuẩn và vẫn chưa được hòa nhập hoàn toàn vào khung cảnh lý thuyết hạt nhân.

Sự tương tác của các hạt sơ cấp xảy ra thông qua trao đổi và hấp thụ các hạt trung gian (bosons) tương ứng với lực tương tác tương ứng. Các lý thuyết và mô hình vật lý hạt nhân được sử dụng để mô tả và dự đoán các hiện tượng tương tác giữa các hạt sơ cấp này trong thực tế.