Toàn bộ vật chất, bức xạ và các tương tác trong vũ trụ của chúng ta đều được tạo thành và chi phối bởi các hạt cơ bản. Nó không cấu thành từ cái gì cả mà chính nó cấu thành mọi thứ khác.
Hạt cơ bản 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. Hạt nhỏ nhất là các hạt mà nói một cách dễ hiểu là phải đạt yêu cầu cơ bản là không thể phân chia thêm.
Các hạt cơ bản chính là 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.
Nói thì dễ hiểu là thế, nhưng thực tế loài người đã mất không biết bao nhiêu thời gian để truy tìm các hạt cơ bản. Lịch sử của nó đến nay đã kéo dài hơn 2.000 năm.
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 quỹ đạo có năng lượng xác định (mẫu nguyên tử của Borth).
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 và 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 các thực nghiệm.
Hiện nay người ta cũng biết rằng, proton và neutron 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 nhỏ hơn quark hay không thì không 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. Tuy nhiên, lý thuyết này đến nay 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 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” vì nó đã mô tả được mọi tương tác của tự nhiên, chỉ trừ tương tác hấp dẫn.
Thế giới hạt cơ bản hiện nay đã được xác nhận chia ra làm 2 nhóm chính là fermion (các hạt tạo nên vật chất trong vũ trụ) và boson (các hạt truyền tương tác).
Những gì khác nhau giữa quark và lepton?
Trong Mô hình chuẩn của vật lý hạt, bạn có thể thấy rằng các hạt cơ bản được chia thành hai nhóm chính là fermion và boson. Trong đó, các fermion đóng vai trò tạo thành mọi loại vật chất mà bạn biết tới hàng ngày, còn boson là các hạt truyền tương tác.
Tuy nhiên, fermion đóng vai trò tạo thành mọi loại vật chất mà bạn biết tới hàng ngày, còn boson là các hạt truyền tương tác. Fermion là một nhóm hạt phức tạp chứ không hề đơn giản. Cụ thể, nó được chia thành hai nhóm nhỏ gọi là quark và lepton.
Sẽ rất dễ dàng khi mô tả một cách dễ hiểu là quark gồm 6 loại hạt mà trong đó 2 loại phổ biến nhất là up và down tham gia tạo thành các proton (2up + 1down) – tức là hai loại hạt cốt yếu tạo thành hạt nhân của các nguyên tử, còn lepton là những hạt mà về cơ bản là nhẹ hơn và không tham gia trực tiếp vào hạt nhân của nguyên tử (mà phổ biến nhất là electron).
Tuy nhiên, như vậy chưa phản ánh được đúng bản chất của hai loại hạt này và những khác biệt thực sự giữa chúng.
Điểm giống nhau
Quark và lepton đều là những hạt thuộc nhóm fermion, tức là những hạt đóng vai trò cốt yếu tạo thành vật chất trong vũ trụ. Mọi vật liệu mà bạn có thể nhìn thấy hoặc chạm tới hàng ngày đều được tạo thành từ những hạt này.
Những hạt cơ bản nhất tạo thành các nguyên tử của bất cứ nguyên tố nào đều bao gồm cả hai loại fermion này – cụ thể là hạt nhân được tạo thành bởi các quark, còn lớp vỏ nguyên tử là quỹ đạo của các electron (loại lepton phổ biến nhất).
Trong khi đó, nhóm hạt còn lại là boson không trực tiếp tạo thành vật chất mà có vai trò truyền tương tác – chẳng hạn, photon là loại hạt truyền tương tác điện từ.
Cả quark và lepton đều có spin bán nguyên (1/2) trong khi boson có spin nguyên (0 hoặc 1). (Một cách tối giản thì spin là con số lượng tử chỉ tính đối xứng quay của một hạt).
Điểm khác nhau
Điện tích
Các lepton có điện tích nguyên. Ví dụ điển hình nhất là các electron, nó có điện tích là -1. Trong khi đó, quark có điện tích nhỏ hơn 1. Đúng như vậy, cái mà bạn vẫn được biết tới là điện tích cơ bản thực tế không phải là điện tích nhỏ nhất và không chia ra được nữa. Mỗi quark up mang điện tích là +2/3, còn down thì có điện tích -1/3. Hãy thử cộng chúng với nhau, bạn sẽ hiểu tại sao proton có điện tích là +1 còn neutron lại là hạt không mang điện.
Chỉ lepton có thể tồn tại tự do
Các lepton có thể tồn tại tự do, còn quark thì không. Quark chỉ tồn tại bên trong các hadron (những hạt chứa từ 1 quark trở lên), mà proton và neutron là 2 trong số đó) nhờ liên kết bởi tương tác mạnh – loại tương tác được truyền bởi các hạt gluon.
4 loại quark hiếm gặp hơn gồm charm, strange, top và bottom là những quark không bền vững và chúng sẽ phân rã để sớm hay muộn cũng sẽ trở thành up hoặc down. Còn up và down thì như vừa nhắc tới, chúng không thể tồn tại độc lập mà chỉ có trong các hadron.
Tới đây, bạn cũng có thể để ý thấy rằng như vậy thì giá trị 1 đơn vị điện tích vẫn có thể coi là điện tích cơ bản, vì lý do đơn giản là điện tích phân số không thể tồn tại độc lập trong tự nhiên Lepton không tham gia tương tác mạnh
Có tất cả 4 tương tác cơ bản trong vũ trụ gồm hấp dẫn, điện từ, mạnh và yếu. Các quark tham gia cả 4 tương tác này. Trong khi đó, các lepton chỉ tham gia tương tác hấp dẫn, điện từ và yếu. Chúng không tham gia tương tác mạnh.
Tương tác mạnh là loại lực mạnh nhất nhưng có cự ly ngắn nhất. Nó chỉ có tác dụng liên kết các quark trong phạm vi bán kính của các hadron (và vì thế cũng đồng thời là tương tác gắn các proton và neutron vào với nhau trong hạt nhân nguyên tử.
Lực hay tương tác, là biểu hiện cơ bản và có vai trò sống còn của vũ trụ. Nếu vũ trụ tràn ngập vật chất nhưng không có tương tác giữa chúng (do tác dụng của các hạt gọi là boson) thì không có sự tạo thành các hạt nhân, nguyên tử, phân tử… và các thiên hà, sao và hành tinh. Khái niệm lực đã rất quen thuộc hàng ngày, và có nhiều tên gọi cho nhiều kiểu tương tác.
