Hạt cơ bản và Mô hình chuẩn

Sơ đồ các hạt cơ bản trong Mô hình chuẩn

Hạt cơ bản (viên gạch vi mô tận cùng của vật chất, không sao chia cắt nổi) – mà con người tạo dựng nên – không phải là duy nhất, sự hiểu biết về chúng phát triển tùy theo thời đại và các nền văn hóa.

Hết rồi thời xa xưa khi kim, mộc, thủy, hỏa, thổ là năm thành phần sơ đẳng cốt lõi của vật chất, chỉ mới đầu thế kỷ 20 thôi mà phân tử hãy còn được coi là hạt sơ cấp tận cùng của vật chất. Ngày nay chúng ta biết phân tử là tập hợp của nhiều nguyên tử khác nhau liên kết bởi electron ngoại vi, mà mỗi nguyên tử lại là hạt nhân của nó thu hút những electron dao động chung quanh bởi lực điện từ mà photon là sứ giả nối kết, rồi hạt nhân nguyên tử cũng lại do proton cùng neutron gắn với nhau mà thành, sau hết proton và neutron cũng chỉ là trạng thái liên kết của các quark u và d qua trao đổi gluon của lực hạt nhân mạnh.

Cứ thế, như những con mẫu búp bê Nga liên hồi chứa đựng nhau, chuỗi dài của những hạt cơ bản đi từ phân tử đến quark là cả một quá trình sáng tạo, khám phá bền bỉ khi lên lúc xuống, lý thuyết cùng thực nghiệm chặt chẽ đan xen.

Theo sự hiểu biết hiện đại thì hạt cơ bản là quark và lepton, chúng là những viên gạch sơ đẳng tận cùng để cấu tạo nên vật chất bất động hay sinh động ít nhất là trên Trái đất, hệ Mặt trời.

Hiện tình của các hạt cơ bản được tóm tắt trong sơ đồ Hình 1, chúng gồm có hai phần: mười hai hạt có spin 1/2 như quark và lepton cùng bốn boson chuẩn có spin 1 như photon, gluon g, hai boson Z, W của lực yếu.

Có sáu loại quark mang ký hiệu u (up), d (down), s (strange), c (charm), t (top), b (bottom), sáu loại lepton bao gồm ba hạt e– (electron), μ– (muon), τ – (tauon) mang điện tích âm -e, và ba hạt neutrino ve, vμ, vτ trung hòa điện tích, theo thứ tự ba hạt neutrino này bao giờ cũng sánh đôi từng cặp với ba hạt electron, muon, tauon trong tương tác.

Sự cân bằng trong thiên nhiên về số lượng: sáu loại quark và sáu loại lepton không tình cờ mà là hậu quả sâu sắc (nhưng khá kỹ thuật chuyên môn) của đối xứng chuẩn trong lý thuyết trường lượng tử.

Chỉ có bốn lực cơ bản chi phối các tương tác của vật chất, đó là hấp dẫn, điện từ và lực hạt nhân mạnh, yếu. Ba tương tác “phi hấp dẫn”: mạnh, yếu, điện từ đã thành công trong việc được lượng tử hóa và tái chuẩn hóa (điều mà luật hấp dẫn của thuyết tương đối rộng không hay chưa làm được), chính vì vậy mà ba lực này diễn giải nhất quán và chính xác cách vận hành, tác động của các hạt vi mô cơ bản.

Lực mạnh gắn kết quark trong hạt nhân nguyên tử và làm cho vật chất vững bền nói chung.

Lực điện từ diễn tả electron tương tác với proton trong hạt nhân nguyên tử để tạo nên các nguyên tử và phân tử của các hóa chất trong bảng tuần hoàn Mendeleïev cũng như của các tế bào và gen sinh vật.

Lực yếu chi phối toàn diện sự vận hành của neutrino, làm cho một số hạt nhân nguyên tử phân rã và phát tán neutrino.

Tương tác mạnh (strong interaction) của các quark trao đổi gluon g giữa chúng được gọi là Sắc động lực học lượng tử (Quantum Chromodynamics hay QCD), thuật ngữ vay mượn của Điện động lực học lượng tử (Quantum Electrodynamics hay QED) diễn tả tương tác điện từ của các hạt mang điện tích trao đổi photon g giữa chúng.

Hai danh từ sắc và điện để chỉ định hai tính chất lượng tử riêng biệt, sắc tích (color charge) của quark và điện tích (electric charge) của lepton e –, μ –, τ –. Cũng như thuật ngữ quark, thuật ngữ sắc dùng ở đây chỉ là trò chơi chữ của các nhà vật lý hạt cơ bản, nó chẳng có chút liên hệ gì tới màu sắc xanh, đỏ của ngôn ngữ hàng ngày. Theo một định lý sâu sắc liên kết spin với phép thống kê của lý thuyết trường lượng tử, vì có spin 1/2 nên khi 3 quark kết hợp với nhau trong trạng thái căn bản để tạo thành proton thì quark phải mang 3 đặc tính lượng tử (mà ta gọi là 3 sắc tích) để tuân thủ phép thống kê Fermi-Dirac, theo đó các fermion (spin ½) không thể cùng ở chung một trạng thái (spin, năng lượng…), trái ngược với những boson (spin 0, 1) tha hồ hòa đồng trong cùng một trạng thái.

Quark khác lepton ở chỗ là ngoài sắc tích ra, chúng cũng mang điện tích, nhưng điện tích của chúng không phải là con số nguyên – e như electron mà là + (⅔)e cho ba quark u, c, t và -(⅓)e cho ba quark d, s, b.

Chính vì quark có cả sắc tích và điện tích nên chúng bị chi phối bởi cả ba lực: điện từ, hạt nhân mạnh, hạt nhân yếu. Còn electron, muon, tauon vì mang điện tích nên bị tác động bởi hai lực: điện từ và yếu. Neutrino trung hòa điện tích nên chỉ bị chi phối duy nhất bởi lực yếu. Thuật ngữ yếu, thoạt nghe tưởng như nhỏ yếu ít tác động, nhưng thực ra nó chủ chốt điều hành sự tổng hợp nhiệt hạch trong các thiên thể, phát tán ra năng lượng cực kỳ cao mang ánh sáng cho bầu trời ban đêm cũng như phóng ra hàng muôn tỷ hạt neutrino từng giây đang xuyên qua da thịt chúng ta.

Quark cũng như lepton tương tác với nhau qua sự trao đổi các boson chuẩn. Boson chuẩn của lực mạnh là gluon g, của lực điện từ là photon g, của lực yếu là hai boson W, Z, chúng có vai trò làm trung gian nối kết và truyền tải thông tin để cho các viên gạch cơ bản quark và lepton tương tác với nhau.

Điều quan trọng đã nhấn mạnh ở cuối phần 1 là các boson chuẩn phải không có khối lượng, đó là trường hợp của photon và gluon, nhưng hai boson chuẩn W, Z của lực yếu lại quá nặng.

Câu hỏi là W, Z không thể là boson chuẩn ? như thế lực yếu không tuân thủ đối xứng chuẩn, một nguyên lý nền tảng vững chắc, nhất quán để tính toán, tiên đoán mọi hiện tượng?

Câu trả lời là có, giải đáp bởi cơ chế BEH (Brout, Englert, Higgs). Mô phỏng một hiện tượng khá phổ quát trong thiên nhiên gọi là sự Phá vỡ Tự phát tính Đối xứng (Spontaneous Breaking of Symmetry, SBS) mà người tiên phong mở đường là Y. Nambu, P. Higgs và đồng nghiệp sáng tạo ra cơ chế BEH mang khối lượng cho W, Z và cả cho quark lẫn lepton, nói chung cho vật chất, và hơn nữa chứng minh là cơ chế này vẫn tuân thủ đối xứng chuẩn.

Ngoài ra, hai định luật cơ bản điện từ và hạt nhân yếu tuy có cường độ tương tác hiệu dụng quá khác biệt nhưng vì nhận thấy chúng có nhiều đặc tính chung nên S. Glashow, A.Salam và S. Weinberg sử dụng cơ chế BEH để kết hợp lực điện từ và lực hạt nhân yếu trong một tương tác duy nhất mà Salam đặt tên là điện-yếu (electroweak). Thành tựu tuyệt vời này gọi là Mô Hình Chuẩn (Standard Model) đã mang lại khoảng ba chục giải Nobel trong ba chục năm gần đây.

Mô Hình Chuẩn tiên đoán nhiều hiện tượng và hạt mới lạ cũng như tính chất của chúng mà sau đó đều được thực nghiệm kiểm chứng với độ chính xác đáng kinh ngạc. Hãy tạm kể hạt Ω-, dòng trung tính của lực hạt nhân yếu, các quark charm, top, bottom, hai boson chuẩn W, Z, mới lạ hồi hộp nhất là hạt cơ bản vô hướng Higgs vừa được phát hiện.

Ở trung tâm của hình 2, duy nhất boson Higgs mang màu xám nhạt như để nhắc nhở là hạt này tuy là nền tảng lý thuyết của Mô hình chuẩn nhưng lại chưa được thực nghiệm khẳng định, khác với màu hồng, xanh, tím của quark, lepton, boson chuẩn (Z, W, g) đã được thực nghiệm xác nhận là hiện hữu. Rất có thể kể từ ngày mồng 4 tháng 7 năm 2012, màu xám của hạt Higgs sẽ rực rỡ ánh vàng vì hai nhóm thực nghiệm ATLAS và CMS ở CERN vừa tìm ra dấu vết nó trong máy gia tốc LHC.

(Còn nữa)

Theo Tia Sáng