NHẬT KÝ LƯỢNG TỬ - CUỘC THÁM HIỂM THẾ GIỚI VẬT LÝ HẠT - Bài 7 . Các chú lính quarks - Một cuộc gặp gỡ thú vị .
Lời nói đầu .
Vật lý hạt nhân là một nhánh quan trọng trong khoa học vật lý , nó chỉ ra những quan hệ tương tác giữa các hạt , phản hạt cùng những cấu thành khác trong thế giới hạt vi mô . Nhưng để hiểu được các ý nghĩa của chúng bằng việc sử dụng các công thức , ký hiệu toán học và các kiến thức vật lý cao cấp khác là cả một sự khó khăn với quảng đại quần chúng . Loạt bài sau đây gồm 20 đề tài được các tác giả là
những nhà vật lý hạt hiện đang tham gia nghiên cứu về lĩnh vực này thể hiện qua những bài đăng rất thú vị . Xin trân trọng giới thiệu đến bạn đọc .
Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 18/08/2013.
Đường dẫn :
Bài 1 . Sơ đồ Feynman .
Bài 2 . Nhiều sơ đồ FEYNMAN hơn nữa .
Bài 3 . QED + μ giới thiệu về muon .
Bài 4 . Boson Z và sự cộng hưởng .
Bài 5 . Các chàng ngự lâm Neutrinos .
Bài 6 . Tí hon boson W - làm rối tung mọi thứ .
Bài 7 . Các chú lính quarks - Một cuộc gặp gỡ thú vị .
Bài 8 . Thế giới của keo .
Bài 9 . QCD và sự giam hãm .
Bài 10 . Những hiểu biết được biết đến về Mô hình Chuẩn .
Bài 12 . Bài giới thiệu độc đáo về boson Higgs .
Bài 7 . Các chú lính quarks - Một cuộc gặp gỡ thú vị .
7.1 Quarks là ai vậy ?
Một trong những thí nghiệm quan trọng nhất trong lịch sử vật lý là thí nghiệm Rutherford , trong đó " hạt alpha " được bắn vào một lá vàng mỏng . Cách mà các hạt phân tán ra khỏi lá là dấu hiệu nhận biết rằng các nguyên tử có một hạt nhân dày đặc chứa các điện tích dương . Đây là một trong những nguyên tắc hướng dẫn cho các thí nghiệm năng lượng cao :
Nếu bạn đập vỡ mọi thứ lại với nhau ở mức năng lượng đủ cao , bạn sẽ thăm dò được những cấu trúc hạ tầng của các hạt .
Khi người ta nói rằng LHC là một máy va chạm proton ở mức 14 TeV , thực ra đó chính là một máy gia tốc hạt quark / gluon vì đó là những siêu hạt tạo nên proton . Trong bài này chúng ta sẽ bắt đầu một cuộc thảo luận xem các hạt hạ nguyên tử là gì và tại sao chúng rất khác với bất kỳ các hạt mà chúng ta đã gặp trước kia .
7.2 Bảng tuần hoàn của QCD ( một phần ) .
Lý thuyết mô tả quark và gluon được gọi là sắc động lực học lượng tử, viết tắt QCD . QCD là một phần của mô hình chuẩn, nhưng trong bài viết này, chúng ta sẽ chỉ tập trung vào chính QCD mà thôi . Quark là các fermion - hạt vật chất - . Có sáu quark, là những chú lính đến từ ba "gia đình" ( ud , cs , tb là các cột trong bảng dưới đây) :
Các chú lính quark có tên khá dễ thương : leo lên (up) , trèo xuống (down) , duyên dáng (charm) , kỳ lạ (strange) , trên đỉnh (top) , và dưới đáy (bottom) . Trong lịch sử các quark t (top) và b (bottom) cũng đã từng được gọi là "sự thật" (true) và "vẻ đẹp" (beauty) , nhưng, vì lý do nào đó chúng ta không hoàn toàn hiểu rõ tại sao những cái tên đó đã không còn được sử dụng .
Dưới đây là một phác họa xinh xắn về các chú lính quark theo The Particle Zoo .
Dòng đầu tiên (u, c, t) được tạo thành từ các hạt với điện tích +2/3 trong khi hàng dưới cùng bao gồm các hạt có điện tích -1/3 . Đây là những giá trị tuyệt mỹ vì chúng ta thường nói rằng các proton và electron có điện tích +1 và -1 một cách tương ứng. Mặt khác đây là một ảnh hưởng lịch sử : nếu chúng ta đo điện tích quark , trước tiên ta có thể nói rằng
down quark có điện tích -1
up quark có điện tích + 2
electron có điện tích -3
và proton có điện tích +3
Đó chỉ mới là định nghĩa về số "đơn vị" điện tích . Tuy nhiên, điện tích quark và lepton có các tỷ lệ cụ thể , đây thực sự là một thắc mắc , vì nó là gợi ý ( rất may chúng ta sẽ không đi vào chi tiết ở đây) về một cái gì đó gọi là lý thuyết thống nhất lớn. (Nhưng nó lại không "lớn" như đã nói đến đâu nhé ! )
7.3 Một quark , hai quark , quark đỏ , quark xanh ?
Tôi đã vẽ sơ đồ trên đây rất khêu gợi : thực sự có ba quark cho mỗi chữ trên. Chúng ta đặt tên cho các hạt quark theo màu sắc : như vậy, chúng ta có thể có một up quark đỏ , một up quark xanh , và một up quark xanh cây , và tương tự như vậy đối với một trong năm quark kia . Hãy để tôi nhấn mạnh rằng quark trong thực tế là không thực sự " có màu " theo nghĩa thông thường ! Đây chỉ là tên mà các nhà vật lý sử dụng .
Các " màu sắc" ở đây thực ra là một loại đặc tính gọi là sắc tích "chromodynamic " ( sắc động lực ) . Điều này có nghĩa gì? Nhớ lại trong QED ( điện động lực học lượng tử thông thường ) rằng điện tích của electron có nghĩa là nó có thể liên kết cặp với photon . Nói cách khác, bạn có thể vẽ biểu đồ Feynman trong đó photon và electron tương tác nhau . Đây chính xác là những gì chúng ta đã làm trong bài viết đầu tiên về đề tài này . Trong QED chúng ta chỉ có hai loại : điện tích dương và âm . Khi bạn mang điện tích dương và âm liên kết với nhau, chúng trở thành trung hòa . Trong QCD chúng ta khái quát hóa khái niệm này bằng cách có ba loại sắc tính , và việc cùng đưa cả ba sắc tính này cũng sẽ mang đến cho bạn một cái gì đó trung hòa . ( Kỳ quặc thật ! )
Việc đặt tên các loại quark khác nhau theo màu sắc thực sự rất khéo léo và được dựa trên cách phối các màu sắc với nhau . Đặc biệt, chúng ta biết rằng phần giao của : màu đỏ + xanh cây + màu xanh = màu trắng. Chúng ta giải thích "trắng" là "màu sắc trung tính," có nghĩa là không có "sắc" .
Có một cách thứ hai để có được một cái gì đó màu trung tính như sau : bạn có thể thêm một cái gì đó của một màu với phản - màu của nó . Ví dụ, "phản - màu " của màu đỏ là màu lục lam. Vì vậy, chúng ta có thể có màu đỏ (red) + "phản- đỏ" (cyan) = màu trung tính .
Tóm lại : Màu + Phản -màu = Màu trung tính .
7.4 Nếu chúng ta không nhìn thấy chúng, liệu là quark có thực ?
Ý nghĩa chính của tất cả các tương đương " phối sắc " là ở chỗ [ ở năng lượng thấp ] , QCD ( sắc động lực lượng tử ) là một lực liên kết cặp mạnh . Trong thực tế, chúng ta thường chỉ gọi nó là lực mạnh . Trách nhiệm của nó là giữ các proton và neutron cùng với nhau. Người ta thấy rằng QCD rất mạnh đến nỗi nó buộc tất cả trạng thái "sắc tích " tìm đến nhau và trở thành màu trung tính . Chúng ta sẽ nhận được một số chi tiết về điều này khi theo dõi bài viết kế tiếp giới thiệu các hạt lực QCD , các gluon . Hiện tại, bạn nên tin ( với một chút hoài nghi khoa học ) rằng không có những hạt " quark tự do " . " Chưa ai đã từng nhặt được một hạt quark và kiểm tra để xác định tính chất của nó vì các hạt quark luôn luôn gắn với các trạng thái liên kết .
Có hai loại trạng thái liên kết :
*Các trạng thái bị ràng buộc bởi 3 quark : chúng được gọi là baryon .
Bạn đã biết hai hạt : proton và neutron . Proton là một sự kết hợp
( uud ) trong khi các neutron là một sự kết hợp
( ddu ) .
Bài tập về nhà 1 . Hãy kiểm tra những điện tích của proton và neutron theo kiểu cộng điện tích các quark là +1 và 0 .
Bởi vì đây phải là sắc trung tính , chúng ta biết rằng sắc quark phải được tổng hợp theo màu đỏ +xanh cây + xanh .
**Các trạng thái bị ràng buộc của một quark và một phản- quark : chúng được gọi là
meson .
Đây là những màu trung tính bởi vì bạn có một màu + phản màu . Các meson nhẹ nhất được gọi là
pion và được tạo thành từ các hạt quark lên (u) và xuống (d) . Ví dụ , các
meson π+ trông giống như (
u phản -d ) . ( Kiểm tra để xác nhận rằng bạn sẽ đồng ý nó có điện tích là +1 . )
Nói chung các trạng thái liên kết được gọi là
hadron . Trong thế giới thực (tức là trong các máy dò hạt ), chúng ta chỉ thấy được hadron bởi vì bất kỳ hạt quark tự do nào sẽ tự động được ghép cặp hoặc với các phản -quark (tức là meson) hoặc với hai quark khác (tức là baryon) . Vậy thì những hạt quark đến từ đâu ? Chúng ta sẽ sớm thảo luận về chuyện này !
Điều này dường như dẫn đến một câu hỏi gần như mang tính triết học: nếu các quark luôn gắn liền trong các hadron, làm thế nào để chúng ta biết chúng thực sự tồn tại?
Một thực tế lịch sử tóm gọn cho biết : Murray Gell-Mann và Yuval Ne'eman, tổ tiên của mô hình quark, ban đầu đề xuất quark như một công cụ toán học để hiểu các thuộc tính của hadron, phần lớn là vì chúng ta đã tìm thấy rất nhiều hadron, nhưng không thấy được các quark đơn lập. Vào thời điểm những năm 60 mọi người đã thực hiện các phép tính với các hạt quark như một đối tượng trừu tượng mà không có liên quan gì đến vật chất .
7.5 Lý do tại sao chúng ta tin rằng các hạt quark là có thật .
Điều này dường như dẫn đến một câu hỏi gần như triết học: nếu quark luôn gắn liền trong hadron, làm thế nào để chúng ta biết chúng thực sự tồn tại? May mắn thay, chúng ta là nhà vật lý, không phải là triết gia. Cũng như Rutherford đầu tiên khảo sát cấu trúc của hạt nhân nguyên tử bằng cách đập các hạt alpha năng lượng cao (tự nó vốn đã là hạt nhân), các thí nghiệm tán xạ phi đàn hồi sâu tại Trung tâm Máy gia tốc tuyến tính Stanford (chung với MIT và Caltech, Mỹ) trong thập niên 60 va chạm electron vào các mục tiêu hydro lỏng / deuterium và hé lộ cấu trúc hạ tầng hạt quark của proton.
Một cuộc thảo luận về tán xạ phi đàn hồi sâu có thể dễ dàng triển khai khoảng vài bài đăng trên blog nói về vấn đề này . (Thực ra ở các trường đại học có lẽ chỉ cần khoảng vài tuần để bàn luận trong một khóa học về lý thuyết trường lượng tử !) Chúng ta hy vọng sẽ trở lại vấn đề này trong tương lai, vì nó thực sự là một trong những khám phá quan trọng vào nửa cuối thế kỷ XX. Để kích thích ham muốn của các bạn, chúng ta sẽ chỉ vẽ sơ đồ Feynman cho quá trình này như dưới đây :
Sơ đồ này không có tên gọi , nhưng bây giờ bạn sẽ thấy những gì đang xảy ra. Hạt bên trên là electron tương tác với proton, là hạt được vẽ như ba dòng quark bên trái phía dưới. Vòng tròn (về mặt kỹ thuật được gọi là "đốm màu" trong các tài liệu khoa học) đại diện cho một số tương tác QCD giữa ba loại hạt quark (giữ chúng lại với nhau). Điện tử tương tác với một quark thông qua một số loại hạt lực, bởi dòng sóng boson . Để đơn giản bạn có thể giả định rằng nó là một photon . Tuyệt diệu thật , thế là chúng ta đã vừa vẽ được hạt quark tương tác giống như một đường đơn lập thoát ra khỏi các đốm màu .
Bài tập về nhà 2 . Bạn hãy suy nghĩ về những gì là khác nhau nếu điều giả định đó là một boson W .
Quark này có phần đặc biệt vì nó là hạt mà các eletron bật lại nhau . Điều này có nghĩa rằng nó nhận được một cú đá lớn về năng lượng là điều có thể bứt nó ra khỏi proton. Như đã đề cập ở trên, quark này bây giờ là "tự do" - nhưng không lâu ! Nó phải hadron hóa vào nhiều đối tượng QCD phức tạp khác như meson hay baryon . Phổ của các hạt đi cung cấp các đầu mối về những gì thực sự xảy ra trong biểu đồ.
Chúng ta mới chỉ che đậy trên bề mặt của sơ đồ này mà thôi : có nhiều hiện tượng vật lý rất sâu (không có ý định chơi chữ !) liên quan ở đây. Cũng bằng cách này: các tương tác đang được quan tâm tại LHC tương tự như sơ đồ trên , chỉ với hai proton tương tác!
7.6 Một gợi ý của lý thuyết nhóm và lý thuyết thống nhất lớn .
Sẽ rất là cẩu thả nếu không đề cập đến một số sự đối xứng của các nội dung của Mô hình Chuẩn. Chúng ta hãy nhìn vào tất cả các fermion đã gặp cho đến nay :
Có tất cả các loại mô hình tuyệt vời nhất mà người ta có thể thu lượm từ những điều mà chúng ta đã học được trong những bài đăng trên blog trước đây . Hai hàng đầu là quark (mỗi hạt với ba màu sắc khác nhau), trong khi hai hàng dưới cùng là lepton . Mỗi hàng có một điện tích khác nhau. Mỗi cột mang tính chất tương tự, ngoại trừ việc mỗi cột kế tiếp là nặng hơn so với trước đó. Chúng ta biết rằng boson W trung hòa những phân rã giữa các cột, và vì những vật nặng phân rã thành những vật nhẹ hơn, nên hầu hết vũ trụ của chúng ta được độc quyền tạo thành từ cột đầu tiên.
Có những mô hình khác mà chúng ta có thể nhìn thấy. Ví dụ:
- Khi lần đầu tiên biết đến QED , chúng ta chỉ cần một loại hạt , đó là điện tử electron . Chúng ta cũng biết rằng các electron và phản-electron ( positron ) có thể tương tác với một photon .
- Khi gặp lực yếu ( boson W ) , chúng ta cần phải giới thiệu về một loại khác về hạt : đó là neutrino. Một electron và một phản-neutrino có thể tương tác với một boson W .
- Bây giờ chúng ta lại vừa gặp lực mạnh , QCD . Trong bài tiếp theo , chúng ta sẽ gặp gỡ hạt lực , là các gluon . Tuy nhiên , như những gì ta đã nói , là có ba loại hạt tương tác với QCD : đỏ , xanh cây và xanh dương. Để hình thành một cái gì đó trung tính, bạn cần tất cả ba sắc tích để triệt tiêu .
Có một nguyên do toán học rất sâu xa giải thích tại sao chúng ta lại có được điều này : các kiểu đếm một-hai- ba : nó xuất phát từ cơ sở " đối xứng gauge " của Mô hình Chuẩn . Lĩnh vực toán học của lý thuyết nhóm là ( một định nghĩa thô ) nghiên cứu về cách các sự đối xứng có thể tự biểu diễn . Mỗi loại lực trong mô hình chuẩn có liên quan đến một nhóm đối xứng đặc biệt . Các nhóm đối xứng của Mô hình Chuẩn là :
U ( 1 ) SU ( 2 ) SU ( 3 ) . Vì thế ta nói rằng có kiểu đếm một-hai-ba .
Nó chỉ ra rằng điều này cũng rất gợi ý đến lý thuyết thống nhất lớn . Động cơ chính của ý tưởng là tất cả ba lực , thực sự sẽ cùng phù hợp một cách tốt đẹp (?) , trở thành một lực duy nhất được biểu diễn bởi một " nhóm đối xứng " , gọi là SU ( 5 ) . Trong sự phối hợp như vậy, mỗi cột trong " bảng tuần hoàn " ở trên có thể thực sự được " trích xuất " từ các thuộc tính toán học của nhóm GUT ( grand unification theory- lý thuyết thống nhất lớn ) . Vì vậy, theo cùng một cách mà QCD nói với chúng ta , phải cần ba màu sắc, nhóm GUT sẽ cho chúng ta biết rằng vật chất phải đến theo các tập hợp gồm các quark với ba sắc (3) , một lepton tích điện (1) , và một neutrino (1) , tất cả cuộn với nhau (5) !
Nhân đây , bạn không nên nhầm lẫn giữa " lý thuyết thống nhất lớn " (GUT) với "lý thuyết của tất cả mọi thứ " (TOE) , khi nói chúng tương tự với nhau . Loại thứ nhất là các lý thuyết về vật lý hạt, trong khi loại sau cố gắng thống nhất vật lý hạt với lực hấp dẫn [ ví dụ như lý thuyết dây ( String theory ) ] . Lý thuyết thống nhất lớn thực sự khá nhàm chán và hầu hết các nhà vật lý nghi ngờ rằng bất cứ điều gì hoàn thành mô hình chuẩn có thể bằng cách nào đó rất cuộc sẽ thống nhất ( GUT ) (mặc dù chưa có bằng chứng thực nghiệm trực tiếp nào) . Trong khi đó " các lý thuyết về tất cả mọi thứ ( TOE ) " được nghiên cứu và suy đoán thêm rất nhiều bằng cách so sánh .
7.7 Kết luận : từ đây chúng ta sẽ đi đến đâu ?
Chúng ta đã được giới thiệu nhanh chóng về QCD chỉ qua một vài thông tin trên blog này . Hy vọng rằng sắp tới chúng ta sẽ có dịp tìm hiểu thêm một vài chi tiết về mô tả gluon và hadron .
Đối với tất cả người hâm mộ LHC thì : QCD là thực sự rất quan trọng . ( Còn đối với tất cả các bạn là các nhà khoa học LHC , chắc bạn cũng đã biết rằng có một cụm từ chính xác : " QCD thực là nhiễu sự " ) . Khi chúng ta nói rằng SLAC / Brookhaven phát hiện quark duyên (c) hoặc Fermilab phát hiện ra quark đỉnh (t) , không ai thực sự đóng chai được các hạt quark và trình bày cho Ủy Ban Vật lý Nobel cả . Các máy phát hiện của chúng ta nhìn thấy hadron, và các tính chất của quy trình cụ thể như tán xạ phi đàn hồi sâu cho phép chúng ta tìm hiểu phần nào
gián tiếp về cấu trúc hạ tầng của các hadron để tìm hiểu về sự tồn tại của hạt quark . Điều này , nói chung, thực sự , thực sự ,và thực sự khó khăn cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm .
Cảm ơn tất cả các bạn đã xem bài viết này ,
Theo FLIP TANEDO | USLHC | USA
-----------------------------------------------------------------------------------
7.8 Tiểu sử 6 chàng quark theo wikipedia .
Quark (phát âm /ˈkwɔrk/ hay /ˈkwɑrk/) (đôi khi gọi là hạt quac) là một hạt cơ bản sơ cấp và là một thành phần cơ bản của vật chất. Các quark kết hợp với nhau tạo lên các hạt tổ hợp còn gọi là các hadron, với những hạt ổn định nhất là proton và neutron - những hạt thành phần của hạt nhân nguyên tử.[8] Do một hiệu ứng gọi là sự giam hãm màu, các quark không bao giờ tìm thấy đứng riêng rẽ; chúng chỉ có thể tìm thấy bên trong các hadron.[9][10] Với lý do này, rất nhiều điều về các quark được biết đến đã được dẫn ra từ các hadron chúng tổ hợp lên.
Có 6 loại quark, còn được biết đến là hương: lên (u), xuống (d), duyên (c), lạ (s), đỉnh (t), và đáy (b).[11] Các quark lên (u) và quark xuống (d) có khối lượng nhỏ nhất trong các quark. Các quark nặng hơn nhanh chóng biến đổi sang các quark u và d thông qua một quá trình phân rã hạt: sự biến đổi từ một trạng thái khối lượng cao hơn sang trạng thái khối lượng thấp hơn. Vì điều này, các quark u và d nói chung là ổn định và thường gặp nhất trong vũ trụ, trong khi các quark duyên (c), lạ (s), đỉnh (t), và đáy (b) chỉ có thể được tạo ra trong va chạm năng lượng cao (như trong các tia vũ trụ và trong các máy gia tốc hạt).
Các quark có rất nhiều tính chất nội tại, bao gồm điện tích, màu tích (color charge), spin, và khối lượng. Các quark là những hạt cơ bản duy nhất trong mô hình chuẩn của vật lý hạt đều tham gia vào bốn tương tác cơ bản (điện từ, hấp dẫn, mạnh, và yếu), cũng như là các hạt cơ bản có điện tích không phải là một số nguyên lần của điện tích nguyên tố. Đối với mỗi vị quark có tương ứng với một loại phản hạt, gọi là phản quark, mà chỉ khác với các quark ở một số tính chất có độ lớn bằng nhau nhưng ngược dấu.
Mô hình quark đã được các nhà vật lý Murray Gell-Mann và George Zweig đề xuất độc lập nhau năm 1964.[1] Các quark được đưa ra như là một phần trong biểu đồ sắp xếp cho các hadron, và có rất ít chứng cứ về sự tồn tại của chúng cho đến tận năm 1968.[4][12] Cả 6 quark đều đã được quan sát trong các máy gia tốc thực nghiệm; quark cuối cùng được khám phá là quark đỉnh (t) được quan sát tại Fermilab năm 1995.[1]
a. Phân loại .
Xem thêm: Mô hình chuẩn
Mô hình chuẩn là một mô hình lý thuyết miêu tả mọi hạt cơ bản được biết đến hiện nay, cũng như về hạt chưa quan sát được, [nb 1] boson Higgs.[13] Mô hình này gồm sáu vị quark, tên gọi là (q), quark lên (u), quark xuống (d), quark duyên (c), quark lạ (s), quark đỉnh (t), và quark đáy (b).[11] Phản hạt của quark được gọi là phản quark, và được kí hiệu bởi dấu gạch ngang bên trên cho mỗi quark tương ứng, như u cho phản quark trên (u). Nói chung đối với phản vật chất, các phản quark có cùng khối lượng, thời gian sống trung bình, spin tương ứng với quark của nó, nhưng có điện tích và các tích khác có dấu ngược lại.[14]
Các quark là những hạt có spin-1⁄2, hàm ý rằng chúng là các hạt fermion tuân theo định luật thống kê spin. Chúng cũng tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli, nói rằng không có 2 fermion nào có thể đồng thời chiếm cùng một trạng thái lượng tử. Điều này ngược hẳn với các hạt boson (các hạt với spin nguyên), bất kì số lượng hạt nào cũng có thể chiếm cùng một trạng thái.[15] Không giống như các lepton, các quark có một đặc tính là màu tích, làm cho chúng tham gia vào tương tác mạnh. Kết quả của lực hút giữa các quark khác nhau làm cho hình thành lên các hạt tổ hợp gọi là các hadron (xem "Tương tác mạnh và màu tích bên dưới).
Các quark xác định lên các số lượng tử của các hadron được gọi là các quark hóa trị; ngoài điều này, bất kì một hadron có thể chứa một số vô hạn các hạt ảo (hay biển) quark, phản quark, và các gluon không ảnh hưởng đến số lượng tử của các hadron.[16] Có hai họ hadron: baryon, với ba quark hóa trị; và meson, với một quark và một phản quark hóa trị..[17] Những baryon hay gặp nhất là proton và neutron, các viên gạch của hạt nhân nguyên tử.[18] Có rất nhiều hadron đã được biết đến (xem danh sách các baryon và danh sách các meson), hầu hết chúng khác nhau là do thành phần các quark và các tính chất của quark trong các hạt này. Sự tồn tại của các hadron "ngoại lai" với nhiều hơn các quark hóa trị, như các tetraquark (qqqq) và các pentaquark (qqqqq), đã được phỏng đoán[19] nhưng vẫn chưa được chứng minh.[nb 2][19][20]
Các fermion cơ bản được nhóm lại thành ba thế hệ, mỗi thế hệ bao gồm hai lepton và hai quark. Thế hệ đầu tiên bao gồm quark lên u và quark xuống d, thế hệ thứ hai gồm quark lạ s và quark duyên c, và thế hệ thứ ba gồm quark đỉnh t và quark đáy b. Tất cả những tìm kiếm cho thế hệ thứ tư gồm các quark và những fermion cơ bản khác đều đã thất bại,[21] và có một chứng cứ gián tiếp mạnh cho thấy không thể tồn tại nhiều hơn ba thế hệ.[nb 3][22] Các hạt trong thế hệ cao hơn thường có khối lượng lớn hơn và ít ổn định hơn, làm cho chúng phân rã thành các hạt ở thế hệ thấp hơn do tác động của các tương tác yếu. Chỉ có thế hệ thứ nhất (các quark u và d) là thường gặp trong tự nhiên. Các quark nặng hơn chỉ có thể được tạo ra trong các va chạm năng lượng cao (như trong quá trình va chạm của các tia vũ trụ), và phân rã rất nhanh; tuy nhiên, chúng được nghĩ là đã có mặt trong một thời gian rất ngắn sau Big Bang, khi vũ trụ trong trạng thái rất nóng và đậm đặc (kỉ nguyên quark). Những nghiên cứu về những quark nặng hơn được thực hiện trong các điều kiện nhân tạo, như trong các máy gia tốc hạt.[23]
Có điện tích, khối lượng, màu tích, và hương, các quark là các hạt cơ bản duy nhất được biết đến có tham gia vào cả 4 tương tác cơ bản của vật lý học hiện nay: tương tác điện từ, tương tác hấp dẫn, tương tác mạnh và tương tác yếu.[18] Tuy nhiên, tương tác hấp dẫn là quá nhỏ trong thang đo hạt hạ nguyên tử, và nó không được miêu tả trong Mô hình chuẩn.
Xem bảng các tính chất bên dưới để có tổng quan hoàn thiện về tính chất của sáu vị quark. ( Click vào ảnh để phóng to )
 |
| Bảng tính chất các quark . |
b. Lịch sử .
Murray Gell-Mann, một trong những người đề xuất mô hình quark năm 1964
Mô hình quark đã được hai nhà vật lý Murray Gell-Mann[24] và George Zweig[25][26] đề xuất một cách độc lập vào năm 1964.[1] Đề xuất được đưa ra ngay sau khi Gell-Mann đưa ra công thức của hệ thống phân loại hạt còn gọi là Bát trùng Đạo năm 1961—hay, theo thuật ngữ vật lý, đối xứng vị SU(3).[27] Nhà vật lý người Israel Yuval Ne'eman đã độc lập phát triển một biểu đồ tương tự với Bát trùng Đạo trong cùng năm này.[28][29]
Tại thời điểm ban đầu của lý thuyết quark, khái niệm "vườn hạt" đã được đưa ra, để bao gồm các hạt khác, kể cả các hadron. Gell-Mann và Zweig khẳng định rằng chúng không phải là các hạt cơ bản, thay vào đó là tổ hợp thành phần của các quark và các phản quark. Mô hình của họ bao gồm ba vị của quark - lên u, xuống d, và lạ s—và họ quy cho chúng các tính chất như spin và điện tích.[24][25][26] Phản ứng ban đầu của cộng đồng vật lý đối với giả thiết này là lẫn lộn. Đã có sự tranh cãi đặc biệt về liệu các quark là một thực thể vật lý hay chỉ là một sự trừu tượng để dùng giải thích các khái niệm mà không được hiểu một cách thông thường tại thời điểm đó.[30]
Chỉ trong ít năm sau, sự mở rộng mô hình Gell-Mann – Zweig đã được đề xuất. Sheldon Lee Glashow và James Bjorken đã tiên đoán sự tồn tại của vị quark thứ tư, mà họ gọi là duyên. Đề xuất này được thêm vào bởi vì nó cho phép một cách miêu tả tốt hơn tương tác yếu (cơ chế cho phép các quark bị phân rã), làm cân bằng số các quark đã biết với số các lepton đã biết, và hàm ý một công thức khối lượng làm sửa lại một cách chính xác khối lượng của các meson trước đó.[31]
Năm 1968, các thí nghiệm tán xạ phi đàn hồi sâu tại Trung tâm Máy gia tốc tuyến tính Stanford (SLAC) cho thấy proton chứa các thành phần nhỏ hơn, các hạt giống như điểm và chứng tỏ proton không phải là một hạt cơ bản.[4][12][32] Các nhà vật lý đã không sẵn sàng đồng nhất các hạt này với các quark tại thời điểm đó, thay vào đó họ gọi chúng là "các parton" - một thuật ngữ do Richard Feynman đưa ra.[33][34][35] Các hạt được quan sát tại SLAC sau đó được đồng nhất với các quark lên u và quark xuống d, và nhiều quark (hương) sau đó đã được khám phá ra.[36] Tuy thế, "parton" vẫn còn được sử dụng là một thuật ngữ chung cho các thành phần của các hadron (quark, phản quark, và gluon).
Sự tồn tại của quark lạ s đã được xác nhận một cách gián tiếp trong thí nghiệm tán xạ ở SLAC: không chỉ là một thành phần cần thiết trong mô hình 3 quark của Gell-Mann và Zweig, nó cũng cung cấp một cách giải thích cho các hadron kaon (K) và pion (π) đã được khám phá ra trong các tia vũ trụ năm 1947.[37]
Trong một bài báo năm 1970, Glashow, John Iliopoulos và Luciano Maiani trình bày một lý do sâu hơn cho sự tồn tại của hạt quark duyên chưa được khám phá.[2][38] Số các hương quark được đề xuất tăng lên đến 6 vào năm 1973, khi Makoto Kobayashi và Toshihide Maskawa chú ý rằng các quan sát thực nghiệm trong vi phạm CP[nb 4][3] có thể được giải thích nếu tồn tại một cặp quark khác.
Các quark duyên đã được tạo ra hầu như đồng thời bởi hai nhóm nhà khoa học vào tháng 11 năm 1974 (xem Cuộc Cách mạng tháng Mười một)—một tại SLAC dưới sự lãnh đạo của Burton Richter,[5] và một tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven dưới sự lãnh đạo của Samuel Ting.[6] Quark duyên đã được quan sát khi nó liên kết với phản quark duyên trong các meson. Hai nhóm nhà khoa học đã đặt tên cho meson được khám phá ra với hai kí hiệu khác nhau, J và ψ; do đó nó thường được biết đến với tên gọi meson J/ψ. Sự khám phá cuối cùng đã thuyết phục được cộng đồng các nhà vật lý rằng mô hình quark là đúng đắn.[35]
Trong những năm sau, đã xuât hiện một số các đề nghị cho sự mở rộng mô hình quark lên tới 6 quark. Một trong số này, Haim Harari đăng bài báo năm 1975[39] trong đó lần đầu tiên ông đề cập đến thuật ngữ quark đỉnh và quark đáy.[40]
Năm 1977, quark đáy được quan sát bởi một đội các nhà khoa học tại Fermilab đứng đầu bởi Leon Lederman.[7][41] Đây là một dấu hiệu mạnh cho sự tồn tại của quark đỉnh: nếu không có quark đỉnh, quark đáy sẽ không có đối tác của nó. Tuy vậy, cho đến tận năm 1995 thì quark đỉnh mới được quan sát, cũng bởi Máy dò Va chạm tại Fermilab (CDF)[42] và DØ[43] bởi các nhà khoa học tại Fermilab.[1] Quark đỉnh có khối lượng lớn hơn so với giá trị suy đoán trước đó[44]—nặng tương đương, thậm chí hơn cả nguyên tử vàng.[45]
c. Nguồn gốc tên gọi .
Gell-Mann nảy sinh ý định đặt tên là quark khi ông nghe âm thanh do những con vịt phát ra.[46] Ban đầu, ông chưa thực sự quyết định được cách viết chính thức cho những thuật ngữ ông đang nghiên cứu, cho đến khi ông tìm thấy từ quark trong quyển sách Finnegans Wake của James Joyce:
Three quarks for Muster Mark!
Sure he has not got much of a bark
And sure any he has it's all beside the mark.
—James Joyce, Finnegans Wake[47]
Gell-Mann miêu tả chi tiết về tên gọi quark trong cuốn sách của ông, The Quark and the Jaguar:[48]
Vào năm 1963, khi tôi gắn tên gọi "quark" cho các thành phần cơ bản của nucleon, tôi đã nghe thấy âm thanh đầu tiên, mà chưa viết ra, có thể là "kwork". Sau đó một trong những quyển sách tôi nghiền ngẫm của James Joyce, cuốn Finnegans Wake, tôi bắt gặp từ quark trong câu "Three quarks for Muster Mark". Do "quark" (có ý nghĩa duy nhất cho tiếng kêu của chim mòng biển) rõ ràng hướng đến âm điệu với từ "Mark", cũng như "bark" và những từ như thế, tôi đã phải tìm cách phát âm nó giống như "kwork". Nhưng cuốn sách thể hiện giấc mơ của một người chủ quán tên là Humphrey Chimpden Earwicker. Từ ngữ trong đoạn văn thường được rút ra từ nhiều nguồn cùng một lúc, giống như từ ghép trong câu "Through the Looking-Glass". Theo thời gian, các câu xuất hiện trong cuốn sách được xác định từng phần bởi các cuộc gọi cho đồ uống tại quán bar. Tôi lập luận rằng từ đó có lẽ một trong nhiều hàm ý của câu "Three quarks for Muster Mark" có thể là "Three quarts for Mister Mark", do vậy trong trường hợp này việc phát âm "kwork" sẽ không đúng hoàn toàn. Trong mọi trường hợp, số ba phù hợp một cách hoàn hảo với số các quark trong tự nhiên.
Zweig thích cái tên ace hơn trong lý thuyết của ông, nhưng thuật ngữ của Gell-Mann trở nên thông dụng khi mô hình quark đã được chấp nhận rộng rãi.
Các hương của quark được đặt tên do một số các lý do. Các quark lên và xuống được đặt theo tên của các thành phần lên và dưới của spin đồng vị mà chúng mang.[50] Quark lạ được đặt tên như vậy do nó được khám phá là các thành phần của các hạt lạ được khám phá ở trong tia vũ trụ nhiều năm trước khi mô hình quark được đưa ra; những hạt này được nghĩ là "lạ" do chúng có thời gian sống không bình thường.[51] Glashow, người đồng đưa ra 'quark lạ' với Bjorken, nói rằng "Chúng tôi đưa ra sự kiến thiết của chúng tôi về 'quark lạ' do chúng tôi thấy thích thú và dễ chịu bởi sự đối xứng của nó mang lại cho thế giới hạt hạ nguyên tử."[52] Các tên gọi "đỉnh", "đáy" do Harari đưa ra, đã được chọn bởi vì chúng "mang tính logic với các quark trên và dưới"".[39][40][51] Trước đây, các quark đỉnh t và đáy b thỉnh thoảng được gọi tương ứng là "sự thật" (truth) và "đẹp" (beauty), nhưng những tên gọi này sau đó không còn được sử dụng nữa.[53]
d. Các tính chất .
Điện tích
Xem thêm: Điện tích
Các quark có các giá trị điện tích là phân số - là 1⁄3 hoặc +2⁄3 lần điện tích nguyên tố, phụ thuộc vào hương của chúng. Các quark lên, duyên, và đỉnh (tập hợp lại gọi là các quark kiểu - lên) có điện tích +2⁄3, trong khi các quark xuống, lạ, và đáy (các quark kiểu - xuống) có điện tích −1⁄3. Các phản quark có các điện tích trái dấu tương ứng với các quark; các phản quark kiểu - trên có điện tích −2⁄3 và các phản quark kiểu - dưới có điện tích +1⁄3. Từ các điện tích của một hadron bằng tổng các điện tích của các quark cấu tạo nên hadron này, do đó mọi hadron có điện tích là số nguyên: tổng của ba quark (tạo thành baryon), ba phản quark (tạo thành phản baryon), hoặc một quark và một phản quark (tạo thành meson) luôn luôn là các điện tích nguyên.[54]
Ví dụ, các hadron là thành phần của các hạt nhân nguyên tử, các neutron và proton, có điện tích lần lượt là 0 và +1; neutron có thành phần là hai quark xuống d và một quark lên u, proton có hai quark lên u và một quark xuống d.[18]
Spin .
Xem thêm: Spin
Spin là một tính chất nội tại của các hạt cơ bản, và hướng của nó là một tính chất quan trọng của bậc tự do. Nó thường được hình dung giống như sự quay của một vật xung quanh trục của chính nó (từ đó có tên là "spin"), mặc dù khái niệm này không hoàn toàn đúng ở mức thang nguyên tử bởi vì các hạt cơ bản được tin là các hạt điểm.[55]
Spin có thể biểu diễn bởi một vector với độ dài được đo bằng các đơn vị của hằng số thu gọn Planck ħ (đọc là "h ngang"). Đối với các quark, khi đo các thành phần của vector spin dọc theo một trục bất kì chỉ thu được các giá trị +ħ/2 hoặc −ħ/2; với lý do này các quark được phân loại thành các hạt spin-1⁄2.[56] Các thành phần của vector spin dọc theo một trục bất kì - kí hiệu là z - thường được gắn bởi mũi tên chỉ lên trên ↑ đối với giá trị +1⁄2 và mũi tên chỉ xuống dưới ↓ đối với giá trị −1⁄2, đặt sau biểu tượng cho hương. Ví dụ, một quark lên (u) với spin +1⁄2 dọc theo trục z được kí hiệu bởi u↑.[57]
Tương tác yếu
Bài chi tiết: Tương tác yếu
Biểu đồ Feynman của phân rã beta với dòng thời gian hướng lên trên. Ma trận CKM (giải thích bên dưới) giải mã xác suất của phân rã này và của những phân rã quark.
Một hương của quark chỉ có thể biến đổi thành một hương khác của quark thông qua tương tác yếu, một trong bốn tương tác cơ bản trong vật lý hạt. Bằng cách hấp thụ hoặc phát ra một boson W, bất kì một loại quark - lên nào (quark lên, quark duyên, và quark đỉnh) có thể biến đổi thành một loại quark - xuống bất kì (quark xuống, quark lạ, quark đáy) và ngược lại. Cơ chế biến đổi hương này là nguyên nhân của quá trình phóng xạ của phân rã beta, trong đó một neutron (n) "tách ra" thành một proton (p), một electron (e⁻) và một phản neutrino electron (νe) (xem hình). Điều này xuất hiện khi một quark xuống trong neutron (udd) phân rã thành một quark lên bằng cách phát ra một hạt boson W ảo, biến đổi một neutron thành một proton (uud). Hạt boson W sau đó phân rã thành một electron và một phản neutrino electron.[58]
n
→
p + e + νe
(Phân rã Beta, kí hiệu hadron)
udd
→
uud + e + νe
(Phân rã Beta, kí hiệu quark)
Cả phân rã beta và quá trình ngược lại là phân rã ngược beta thường được dùng trong các ứng dụng y học như chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) và trong các thí nghiệm năng lượng cao như trong các máy dò neutrino.
Trong khi quá trình biến đổi hương là giống nhau đối với mọi quark, mỗi quark có một sự ưu tiên để biến đổi thành một quark khác trong chính thế hệ của nó. Khả năng xảy ra biến đổi của mọi hương được miêu tả bởi một bảng toán học, gọi là ma trận Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (ma trận CKM). Biên độ xấp xỉ của những phần tử trong ma trận CKM là:[59]
với Vij đại diện cho khả năng của một hương của một quark i thay đổi thành một hương của một quark j (hay ngược lại).[nb 5]
Có tồn tại một ma trận tương tác yếu tương đương cho các lepton (nằm bên phải boson W trên biểu đồ phân ra beta ở trên), gọi là ma trận Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (ma trận PMNS).[60] Hai ma trận CKM và PMNS cùng với nhau miêu tả toàn bộ biến đổi hương, nhưng sự liên kết giữa hai ma trận này vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng.[61]
e. Tương tác mạnh và màu tích .
Bài chi tiết: Màu tích và Tương tác mạnh
Mọi hadron đều có tổng tích màu bằng 0.
Các quark sở hữu một tính chất gọi là màu tích (color charge). Chúng có ba loại màu tích, với tên gọi là lam, lục, và đỏ..[nb 6] Tương ứng với chúng là các phản màu - phản lam, phản lục, và phản đỏ. Mỗi quark mang một màu, và tương ứng mỗi phản quark mang một phản màu.[62]
Hệ thống tương tác đẩy và hút giữa các quark cùng với sự tổ hợp khác nhau của ba màu tích được gọi là tương tác mạnh, với các hạt trung gian tải lực gọi là các hạt gluon; điều này được trình bày bên dưới. Lý thuyết miêu tả tương tác mạnh gọi là Sắc động lực học lượng tử (QCD). Một quark với một giá trị màu tích có thể tạo thành một hệ đóng với một phản quark mang phản màu tương ứng; ba (phản) quark, ứng với mỗi (phản) màu, tương tự cũng tạo thành một hệ đóng. Kết quả của hai quark hút nhau sẽ tạo thành một màu trung tính: Một quark với màu tích ξ kết hợp với một phản quark với màu tích -ξ sẽ tạo thành một màu tích 0 (hay màu "trắng") và hình thành lên một hạt meson. Tương tự với mô hình kết hợp màu sắc trong quang học cổ điển, sự kết hợp của ba quark hay ba phản quark, mỗi quark với màu tích khác nhau, sẽ tạo ra một màu tích "trắng" và hình thành lên một baryon hay phản baryon.[63]
Trong vật lý hạt hiện đại, các đối xứng chuẩn (hay đối xứng gauge)-một loại của nhóm đối xứng-liên quan đến các tương tác của các hạt cơ bản với nhau (xem lý thuyết chuẩn hay lý thuyết gauge). Màu SU(3) (thường viết tắt là SU(3)c) là một đối xứng chuẩn (đối xứng gauge) liên quan đến màu tích trong các quark và xác định sự đối xứng cho Sắc động lực học lượng tử.[64] Giống như các định luật vật lý là độc lập với các hướng x, y, và z trong không gian, và không thay đổi nếu các trục tọa độ được quay theo một hướng mới, các định luật trong Sắc động lực học lượng tử là độc lập với các hướng trong "không gian màu" ba chiều được gắn với ba màu lam, lục và đỏ. Sự biến đổi màu SU(3)c tương ứng với "sự quay" trong không gian màu này (nói về mặt toán học là một không gian phức). Mỗi hương của quark f, và mỗi hương nhỏ fB, fG, fR tương ứng với các màu của quark,,[65] tạo thành một bộ ba: một ba-thành phần trường lượng tử biến đổi dưới biểu diễn cơ sở của SU(3)c.[66] Do yêu cầu SU(3)c phải là cục bộ - theo đó nhũng biến đổi của nó phải được phép thay đổi trong không gian và thời gian-nó xác định lên các tính chất của tương tác mạnh, đặc biệt là sự tồn tại của tám loại gluon để thực hiện chức năng của chúng là những hạt tải lực.[64][67]
f. Khối lượng .
Bài chi tiết: Khối lượng
Hai thuật ngữ được sử dụng liên quan đến khối lượng của quark đó là: khối lượng quark hiện tại chỉ gồm khối lượng của chính các hạt quark, trong khi khối lượng quark thành phần gồm khối lượng của quark hiện tại cộng với khối lượng của các hạt trường gluon xung quanh các hạt quark.[68] Những khối lượng này có những giá trị điển hình rất khác nhau. Và hầu hết khối lượng của các hadron chủ yếu được đóng góp từ các gluon mà những gluon này liên kết các hạt quark với nhau, chứ không phải từ khối lượng của các hạt quark. Trong khi các gluon không có khối lượng, chúng lại có năng lượng-đặc biệt là năng lượng liên kết sắc động lực học lượng tử (QCBE) - và năng lượng này đóng góp rất lớn vào tổng khối lượng của hadron (xem khối lượng trong thuyết tương đối hẹp, và sự tương đương năng lượng khối lượng). Ví dụ, một hạt proton có khối lượng xấp xỉ 938 MeV/c2, với khối lượng nghỉ của ba hạt quark hóa trị chỉ là khoảng 11 MeV/c2; và hầu hết phần còn lại là do các gluon QCBE đóng góp vào.[69][70]
Mô hình Chuẩn khẳng định rằng các hạt cơ bản có khối lượng là nhờ cơ chế Higgs, cơ chế này liên quan đến hạt boson Higgs-hạt này chưa được tìm thấy bằng thực nghiệm. Các nhà vật lý hy vọng rằng trong tương lai những nghiên cứu sâu về nguyên nhân hạt quark đỉnh (t) có khối lượng rất lớn, với khối lượng xấp xỉ bằng với khối lượng của hạt nhân vàng (~171 GeV/c2),[69][71] có thể khám phá ra về nguồn gốc khối lượng của các quark và các hạt cơ bản khác.[72]
g. Bảng các tính chất .
Xem thêm: Hương (vật lý hạt)
Bảng tính chất các quark tổng kết các tính chất quan trọng của sáu hạt quark. Số lượng tử hương (spin đồng vị (I3), số duyên (C), số lạ (S, không nên nhầm với spin), số đỉnh (T), và số đáy (B′)) được gán một giá trị xác định đối với mỗi hương của quark, và phân chúng theo các tính chất làm ba thế hệ. Số baryon (B) là +1⁄3 đối với mọi quark, do mọi baryon đều chứa ba quark. Đối với các phản quark, điện tích (Q) và mọi số lượng tử hương (B, I3, C, S, T, và B′) có dấu ngược lại. Khối lượng và mô men động lượng toàn phần (J; bằng với spin đối với các hạt điểm) không thay đổi dấu đối với các phản quark. Giá trị tuyệt đối số đo các thuộc tính giữa quark và phản quark tương ứng là như nhau.
Tương tác giữa các quark .
Được miêu tả bởi sắc động lực học lượng tử, tương tác mạnh giữa các quark được truyền đi bởi các gluon, những hạt boson gauge vector phi khối lượng. Mỗi gluon mang một màu tích và một phản màu tích. Trong mô hình chuẩn của tương tác giữa các hạt (một phần của mô hình tổng quát hơn gọi là lý thuyết nhiễu loạn, các gluon liên tục được trao đổi giữa các quark với nhau thông qua một quá trình hấp thụ và phát ra các hạt ảo. Khi một gluon được truyền đi giữa các quark, màu tích cũng được thay đổi theo; ví dụ, nếu một quark đỏ phát ra một gluon đỏ-phản lục, thì quark này sẽ trở thành quark lục, và ngược lại nếu một quark lục hấp thụ một gluon đỏ-phản lục thì nó sẽ trở thành một quark đỏ. Do vậy, trong khi màu của quark liên tục bị thay đổi, tương tác mạnh giữa chúng luôn được bảo toàn.[74][75][76]
Do các gluon mang màu tích, tự chúng có thể phát ra hoặc hấp thụ những gluon khác. Điều này là nguyên nhân của tính tự do tiệm cận: khi các quark càng lại gần với nhau hơn, lực liên kết sắc động lực học lượng tử giữa chúng trở nên yếu hơn.[77]
Ngược lại, khi khoảng cách giữa các quark tăng lên, lực liên kết giữa chúng trở nên mạnh hơn. Trường màu bị nén mạnh, giống như sợi dây cao su có xu hướng co lại khi bị kéo giãn, và nhiều gluon với màu tích thích hợp được tạo ra 1 cách tự phát làm mạnh thêm trường màu. Vượt quá 1 mức năng lượng xác định, những cặp quark và phản quark được tạo ra. Những cặp này liên kết các quark bị tách biệt với nhau, làm cho những hadron mới được tạo ra. Hiệu ứng này được gọi là sự giam hãm màu: Các quark không bao giờ xuất hiện một cách cô lập.[75][78] Quá trình hadron hóa này xuất hiện trước khi quark hình thành trong một va chạm năng lượng cao có thể tương tác được với các hạt khác theo một cách bất kì nào đó. Chỉ có quark đỉnh t là một ngoại lệ, nó có thể phân rã trước khi bị hadron hóa.[79]
Biển quark .
Các hadron, cùng với các quark hóa trị (qv) đóng góp vào các số lượng tử của chúng, chứa các cặp hạt quark ảo-phản quark ảo (qq) gọi là biển quark (qs). Biển quark hình thành khi một gluon của trường màu hadron tách ra; quá trình này cũng xảy ra ngược lại trong sự hủy của hai biển quark để tạo ra một gluon. Kết quả là một dòng không đổi các gluon tách ra và tạo thành cái thường gọi là "biển quark".[80] Biển quark ít ổn định hơn các quark hóa trị, và chúng thường hủy lẫn nhau bên trong các hadron. Mặc dù vậy, biển quark có thể hadron hóa thành các hạt baryon hoặc meson trong những điều kiện xác định.[81]
Các pha khác của vật chất quark.
Bài chi tiết: Vật chất QCD
Dưới những điều kiện cần thiết nhất định, các quark có thể thoát khỏi trạng thái bị giam hãm và tồn tại như là các hạt tự do. Theo nguyên lý tự do tiệm cận, tương tác mạnh trở nên yếu hơn tại những nhiệt độ cao hơn. Thậm chí, sự giam hãm màu có thể biến mất và dẫn đến sự hình thành một dạng plasma cực nóng của các hạt quark và gluon chuyển động tự do. Pha của vật chất này được gọi là plasma quark-gluon.[84] Những điều kiện chính xác cần thiết để làm xuất hiện trạng thái này chưa được biết tới và đã trở thành chủ đề của nhiều suy đoán và thực nghiệm. Những ước lượng gần đây đặt ra giới hạn nhiệt độ cần thiết là 1,90±0,02×10¹² (gần hai nghìn tỉ) kelvin. [85] Trong khi một trạng thái mà toàn bộ các quark và gluon tự do chưa từng được tạo ra (mặc dù rất nhiều cố gắng đã được thực hiện ở CERN trong các thập niên 1980 và 1990),[86] những thí nghiệm gần đây tại Máy Va chạm Ion Nặng Tương đối tính (RHIC) đã chỉ ra chứng cớ cho vật chất quark dạng lỏng biểu hiện chuyển động chảy "gần như lý tưởng".[87]
Plasma quark-gluon có thể được miêu tả bởi sự tăng số lượng lớn các cặp quark nặng hơn trong quan hệ với số các cặp quark lên u và quark xuống d. Người ta tin rằng trong giai đoạn 10−6 giây sau Vụ Nổ Lớn (kỉ nguyên quark), vũ trụ tràn ngập bởi plasma quark-gluon, do lúc này nhiệt độ quá cao để cho các hadron có thể ổn định được.[88]
Với mật độ baryon đủ cao và nhiệt độ tương đối thấp - phù hợp với các điều kiện được tìm thấy trong các sao neutron - vật chất quark được mong đợi là chúng sẽ suy biến thành dạng chất lỏng Fermi của tương tác yếu giữa các quark. Chất lỏng này có thể được miêu tả bởi một sự ngưng tụ của các cặp Cooper quark màu, theo đó là sự phá vỡ đối xứng cục bộ SU(3)c. Do các cặp Cooper quark mang màu tích, những pha của vật chất quark sẽ trở thành siêu dẫn màu; nghĩa là màu tích có thể vượt qua mà không bị cản trở.[89]
Xem thêm
Chủ đề Vật lý học
Preon hạt giả định
Khóa màu hương
Quarkonium – Các Meson cấu tạo từ một quark và một phản quark với cùng hương
Tính bổ sung quark–lepton – Một quan hệ cơ bản có khả năng giữa các quark và các lepton
Sao quark – Một sao suy biến từ sao neutron với mật độ cực lớn
Chú thích
1.^ đến tháng 7, 2009.
2.^ Một vài nhóm nghiên cứu đã chứng minh sự tồn tại của các tetraquark và pentaquark trong đầu thập niên 2000. Trong khi hiện tại vẫn đang tranh cãi về các tetraquark, mọi hạt ứng cử cho pentaquark đều đã được khẳng định là không tồn tại.
3.^ Chứng cứ trực tiếp dựa trên cơ sở độ rộng cộng hưởng của các Z⁰ boson, nó giới hạn khối lượng của neutrino thuộc thế hệ thứ 4 phải lớn hơn ~45 GeV/c2. Đây là một giới hạn quá cao so với ba thế hệ neutrino trước, mà khối lượng lớn nhất không vượt quá 2 MeV/c2.
4.^ Vi phạm CP là một hiện tượng làm cho tương tác yếu cư xử khác nhau khi vị trí trái, phải được hoán đổi (Đối xứng P) và các hạt được thay thế tương ứng với các phản hạt của chúng (Đối xứng C).
5.^ Xác suất thực của phân rã một quark thành một quark khác là một hàm phức tạp (nhiều biến) của phân rã khối lượng quark, khối lượng của các sản phẩm phân rã, và các phần tử tương ứng trong ma trận CKM. Xác suất này là một tỉ lệ trực tiếp (nhưng không bằng nhau) đối với bình phương độ lớn tương ứng với các phần tử trong ma trận CKM.
6.^ Mặc dù với tên gọi như vậy, màu tích hoàn toàn không liên quan đến phổ màu của ánh sáng khả kiến.
Nguồn :
http://vi.wikipedia.org/wiki/Quark
-----------------------------------------------------------------------------------
7.9 Nói thêm về thí nghiệm Rutherford .
Thí nghiệm Rutherford, hay thí nghiệm Geiger-Marsden, là một thí nghiệm thực hiện bởi Hans Geiger và Ernest Marsden năm 1909[1] dưới sự chỉ đạo của nhà vật lý người New Zealand Ernest Rutherford, và được giải thích bởi Rutherford vào năm 1911[2], khi họ bắn phá các hạt tích điện dương nằm trong nhân các nguyên tử (ngày nay gọi là hạt nhân nguyên tử) của lá vàng mỏng bằng cách sử dụng tia alpha. Thí nghiệm đã cho thấy các hạt nhân nguyên tử nằm tập trung trong một không gian rất nhỏ bé (cỡ femtomét), so với kích thước của nguyên tử (cỡ Ångström), lật đổ giả thuyết trước đó về nguyên tử của J. J. Thomson (mô hình mứt mận cho nguyên tử).
 |
| Rutherford và mô hình thí nghiệm . |
Thí nghiệm cũng cho thấy hiện tượng tán xạ Rutherford, sự tán xạ của các hạt alpha trên các hạt nhân nguyên tử. Hiện tượng này còn được gọi là tán xạ Coulomb do lực tương tác là lực Coulomb. Tán xạ này ngày nay được ứng dụng trong kỹ thuật nghiên cứu vật liệu gọi là tán xạ ngược Rutherford. Kiểu tán xạ này cũng được thực hiện vào những năm 1960 để khám phá bên trong hạt nhân.
a. Lịch sử .
Trước năm 1911, nguyên tử được cho là có cấu trúc gồm các hạt tích điện dương đan xen với các electron, tạo thành một hỗn hợp tương tự như thành phần của "mứt mận".
Năm 1909, Hans Geiger và Ernest Marsden tiến hành thí nghiệm theo sự chỉ đạo của Rutherford tại Đại học Manchester. Họ chiếu dòng hạt alpha vào các lá vàng mỏng và đo số hạt alpha bị phản xạ, truyền qua và tán xạ. Họ khám phá ra một phần nhỏ các hạt alpha đã phản hồi lại.
Nếu cấu trúc nguyên tử có dạng như mô hình "mứt mận" thì sự phản hồi xảy ra rất yếu, do nguyên tử là môi trường trộn lẫn giữa điện tích âm (của điện tử) và điện tích dương (của proton), trung hòa điện tích và gần như không có lực tĩnh điện giữa nguyên tử và các hạt alpha. Nói một cách hình tượng do không có lực tương tác đáng kể, mô hình "mứt mận" như tấm nệm mềm đối với các hạt alpha.
Năm 1911, Rutherford giải thích kết quả thí nghiệm với giả thiết rằng nguyên tử chứa một hạt nhân mang điện tích dương nhỏ bé trong lõi, với những điện tử mang điện tích âm khác chuyển động xung quanh nó trên những quỹ đạo khác nhau, ở giữa là những khoảng không. Khi đó, hạt alpha khi nằm bên ngoài nguyên tử không chịu lực Coulomb, nhưng khi đến gần hạt nhân mang điện dương trong lõi thì bị đẩy do hạt nhân và hạt alpha đều tích điện dương. Do lực Coulomb tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nên hạt nhân cần có kích thước nhỏ để đạt lực đẩy lớn tại các khoảng cách nhỏ giữa hạt alpha và hạt nhân. Nói một cách hình tượng, mô hình hạt nhân lõi nhỏ là lá chắn cứng[3] đối với các hạt alpha.
Rutherford đã mô tả lại kết quả này một cách đầy hình tượng: Điều này giống như khi bắn súng vào một tờ giấy và thấy vài viên đạn bay ngược trở lại.[4] Về sau sự tán xạ tương tự như của các hạt alpha trên các hạt nhân được gọi là tán xạ Rutherford.
Từ kết quả này, Rutherford đã đề xuất mẫu hành tinh nguyên tử để mô tả các nguyên tử. Mô hình này sau đó bị thay thế bởi mô hình nguyên tử Bohr vào năm 1913.
b. Phương pháp thí nghiệm .
Geiger và Marsden dùng một ống chứa khí radi brôm (RaBr2) phóng xạ ra các hạt alpha và chiếu dòng hạt alpha vào các lá kim loại khác nhau. Họ quan sát các hạt alpha truyền qua, phản xạ và tán xạ bằng cách đặt hệ thống trong buồng tối, bao bọc bởi các màn huỳnh quang làm từ hợp chất kẽm và lưu huỳnh (ZnS) và dùng kính hiển vi đếm số lần các chớp sáng sinh ra do các hạt alpha va vào màn tại các vị trí tương ứng với các góc tán xạ khác nhau. Việc đếm các hạt alpha diễn ra trong nhiều giờ để có thể tích lũy được con số thống kê có ý nghĩa.
Họ đã dùng các lá kim loại khác nhau, từ nhôm, sắt, vàng đến chì, với độ dày thay đổi bằng cách xếp nhiều lá mỏng lên nhau thành lá dày hơn.
Kết quả đáng chú ý nhất xảy ra với lá vàng dày 60 nanomét (tức là bề dày khoảng 200 nguyên tử vàng), khi đó chừng 1 trong 8000 hạt bị tán xạ ngược lại với góc tán xạ lớn hơn 90 độ. Quan sát này không thể giải thích được bằng mô hình mứt mận cho nguyên tử; mà chỉ có thể giải thích được với giả thuyết một hạt nhân mang điện tích dương nhỏ nằm trong nguyên tử.
c. Chi tiết tính toán .
Xét va chạm thẳng hàng giữa hạt alpha và hạt nhân, theo định luật bảo toàn năng lượng, toàn bộ động năng () của hạt alpha khi nó cách xa hạt nhân sẽ chuyển hóa hết thành thế năng trong trường lực Coulomb khi hạt alpha đi tới điểm gần hạt nhân nhất (lúc đó vận tốc bằng không do đổi chiều chuyển động 180 độ). Khoảng cách giữa hạt alpha và hạt nhân lúc đó là b, có thể coi là giới hạn trên của bán kính hạt nhân (bán kính hạt nhân không thể lớn hơn). Như vậy :
nguồn :
http://vi.wikipedia.org/wiki/Thí nghiệm_Rutherford
+++++++++++++++++++++++++++
Nguồn :
1.
http://www.quantumdiaries.org/2010/09/14/meet-the-quarks/
2.
http://en.wikipedia.org/wiki/Quark
3.
http://vi.wikipedia.org/wiki/Thi nghiem_Rutherford
4.
http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/camphy/nucleus/nucleus4_1.htm
5.
http://phet.colorado.edu/vi/contributions/view/3064
Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 09/10/2013.
-------------------------------------------------------------------------------------------
Toán học thuần túy, theo cách của riêng nó, là thi ca của tư duy logic.
Pure mathematics is, in its way, the poetry of logical ideas.
Albert Einstein .
Giáo sư kinh tế Angus Deaton thuộc ĐH Princeton (Mỹ)
