Các hạt cơ bản là các khối xây dựng nhỏ nhất được biết đến của vũ trụ. Chúng được cho là không có cấu trúc bên trong, có nghĩa là các nhà nghiên cứu nghĩ về chúng như những điểm không có chiều không chiếm không gian. Electron có lẽ là các hạt cơ bản quen thuộc nhất, nhưng Mô hình vật lý tiêu chuẩn, mô tả sự tương tác của các hạt và gần như tất cả các lực, nhận ra 10 hạt cơ bản.
Electron và các hạt liên quan
Electron là thành phần tích điện âm của các nguyên tử. Trong khi chúng được cho là các hạt điểm không có chiều, các electron được bao quanh bởi một đám mây các hạt ảo khác liên tục nháy mắt trong và ngoài sự tồn tại, về cơ bản hoạt động như một phần của chính electron. Một số lý thuyết đã dự đoán rằng electron có cực dương và cực âm một chút, có nghĩa là đám mây hạt ảo này do đó sẽ không đối xứng một chút.
Nếu đây là trường hợp, các electron có thể hành xử khác với nhân đôi phản vật chất, positron, có khả năng giải thích nhiều bí ẩn về vật chất và phản vật chất. Nhưng các nhà vật lý đã nhiều lần đo hình dạng của một electron và thấy nó hoàn toàn tròn với sự hiểu biết tốt nhất của họ, khiến họ không có câu trả lời cho câu hỏi hóc búa của phản vật chất.
Electron có hai anh em họ nặng hơn, được gọi là muon và tau. Muon có thể được tạo ra khi các tia vũ trụ năng lượng cao từ ngoài vũ trụ chạm vào đỉnh khí quyển Trái đất, tạo ra một cơn mưa các hạt kỳ lạ. Taus thậm chí còn hiếm hơn và khó sản xuất hơn, vì chúng nặng hơn 3.400 lần so với điện tử. Neutrino, electron, muon và taus tạo thành một loại các hạt cơ bản được gọi là lepton.
Quark và sự khó chịu của họ
Các quark, tạo nên các proton và neutron, là một loại hạt cơ bản khác. Cùng với các lepton, quark tạo nên những thứ chúng ta nghĩ là quan trọng.
Ngày xửa ngày xưa, các nhà khoa học tin rằng các nguyên tử là những vật thể nhỏ nhất có thể; từ này xuất phát từ tiếng Hy Lạp "nguyên tử", có nghĩa là "không thể chia cắt." Khoảng đầu thế kỷ 20, hạt nhân nguyên tử được hiển thị bao gồm các proton và neutron. Sau đó, trong suốt những năm 1950 và 60, các máy gia tốc hạt tiếp tục tiết lộ một loạt các hạt hạ nguyên tử kỳ lạ, chẳng hạn như pion và kaon.
Năm 1964, các nhà vật lý Murray Gell-Mann và George Zweig đã độc lập đề xuất một mô hình có thể giải thích hoạt động bên trong của các proton, neutron và phần còn lại của vườn thú hạt, theo một báo cáo lịch sử từ Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC ở California. Nằm trong các proton và neutron là các hạt nhỏ gọi là quark, có sáu loại hoặc hương vị có thể có: lên, xuống, lạ, quyến rũ, dưới và trên.
Proton được tạo ra từ hai quark lên và quark xuống, trong khi neutron gồm hai phần xuống và lên. Các quark lên và xuống là những giống nhẹ nhất. Bởi vì các hạt lớn hơn có xu hướng phân rã thành các hạt nhỏ hơn, các quark lên và xuống cũng là phổ biến nhất trong vũ trụ; do đó, proton và neutron chiếm phần lớn vấn đề chúng ta biết.
Đến năm 1977, các nhà vật lý đã cô lập năm trong số sáu quark trong phòng thí nghiệm - lên, xuống, lạ, quyến rũ và ở dưới đáy - nhưng mãi đến năm 1995, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermilab ở Illinois mới tìm thấy quark cuối cùng, quark đỉnh. Tìm kiếm nó cũng dữ dội như cuộc săn lùng boson Higgs sau này. Quark hàng đầu rất khó sản xuất vì nó nặng hơn khoảng 100 nghìn tỷ lần so với quark, nghĩa là nó đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để tạo ra các máy gia tốc hạt.
Các hạt cơ bản của tự nhiên
Sau đó, có bốn lực cơ bản của tự nhiên: lực điện từ, lực hấp dẫn và lực hạt nhân mạnh và yếu. Mỗi trong số này có một hạt cơ bản liên quan.
Photon là nổi tiếng nhất; chúng mang lực điện từ. Các gluon mang lực hạt nhân mạnh và cư trú với các quark bên trong các proton và neutron. Lực yếu, làm trung gian cho các phản ứng hạt nhân nhất định, được mang theo bởi hai hạt cơ bản là boson W và Z. Neutrino, chỉ cảm nhận được lực yếu và lực hấp dẫn, tương tác với các boson này, và vì vậy các nhà vật lý trước tiên có thể cung cấp bằng chứng cho sự tồn tại của chúng bằng neutrino, theo CERN.
Trọng lực là một người ngoài cuộc ở đây. Nó không được tích hợp vào Mô hình chuẩn, mặc dù các nhà vật lý nghi ngờ rằng nó có thể có một hạt cơ bản liên quan, được gọi là graviton. Nếu graviton tồn tại, có thể tạo ra chúng tại Máy va chạm Hadron lớn (LHC) ở Geneva, Thụy Sĩ, nhưng chúng sẽ nhanh chóng biến mất vào các chiều không gian khác, để lại một khu vực trống nơi chúng có thể, theo CERN. Cho đến nay, LHC đã không thấy bằng chứng nào về graviton hoặc kích thước phụ.
Higgs khó nắm bắt
Cuối cùng, có boson Higgs, vua của các hạt cơ bản, chịu trách nhiệm cho tất cả các hạt khác có khối lượng của chúng. Săn lùng hạt Higgs là một nỗ lực lớn đối với các nhà khoa học cố gắng hoàn thành danh mục Mô hình Chuẩn của họ. Khi Higgs cuối cùng được phát hiện, vào năm 2012, các nhà vật lý đã vui mừng, nhưng kết quả cũng khiến họ rơi vào tình trạng khó khăn.
Higgs trông khá giống với dự đoán, nhưng các nhà khoa học đã hy vọng nhiều hơn thế. Mô hình chuẩn được biết là không đầy đủ; chẳng hạn, nó thiếu một mô tả về lực hấp dẫn và các nhà nghiên cứu nghĩ rằng việc tìm thấy hạt Higgs sẽ giúp chỉ ra các lý thuyết khác có thể thay thế Mô hình Chuẩn. Nhưng cho đến nay, họ đã trở nên trống rỗng trong tìm kiếm đó.
Bổ sung tài nguyên:
