hạt cơ bản sơ cấp From Wikipedia, the free encyclopedia
Quark (phát âm /ˈkwɔrk/ hay /ˈkwɑrk/) (tiếng Việt đọc là Quắc) là một loại hạt cơ bản sơ cấp và là một thành phần cơ bản của vật chất. Các quark kết hợp với nhau tạo nên 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 được 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 sáu loại quark, còn được biết đến là hướng: 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, 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 sáu 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]
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 hương 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 ký 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 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 bốn 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.
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 Chính 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 Chính 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 ký 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 xuất 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]
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.[49]
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]
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 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 – ký 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 ký hiệu bởi u↑.[57]
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 (ν
e) (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⁻ | + | ν e | (Phân rã Beta, ký hiệu hadron) |
| udd | → | uud | + | e⁻ | + | ν e | (Phân rã Beta, ký 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]
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]
Hai thuật ngữ được sử dụng liên quan đến khối lượng của quark bao gồm: 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]
Bảng sau 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.
| Tên gọi | Ký hiệu | Khối lượng (MeV/c2)* |
J | B | Q | I3 | C | S | T | B′ | Phản hạt | Ký hiệu phản hạt |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Thế hệ thứ nhất | ||||||||||||
| Lên | u | 1,7 đến 3,3 | 1⁄2 | +1⁄3 | +2⁄3 | +1⁄2 | 0 | 0 | 0 | 0 | Phản lên | u |
| Xuống | d | 4,1 đến 5,8 | 1⁄2 | +1⁄3 | −1⁄3 | −1⁄2 | 0 | 0 | 0 | 0 | Phản xuống | d |
| Thế hệ thứ hai | ||||||||||||
| Duyên | c | 1270+70 −90 |
1⁄2 | +1⁄3 | +2⁄3 | 0 | +1 | 0 | 0 | 0 | Phản duyên | c |
| Lạ | s | 101+29 −21[73] |
1⁄2 | +1⁄3 | −1⁄3 | 0 | 0 | −1 | 0 | 0 | Phản lạ | s |
| Thế hệ thứ ba | ||||||||||||
| Đỉnh | t | 172000±900 ±1.300 | 1⁄2 | +1⁄3 | +2⁄3 | 0 | 0 | 0 | +1 | 0 | Phản đỉnh | t |
| Đáy | b | 4190+180 −60 |
1⁄2 | +1⁄3 | −1⁄3 | 0 | 0 | 0 | 0 | −1 | Phản đáy | b |
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 một 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.[78][79] 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.[80]
Các hadron, cùng với các quark hóa trị (q
v) đóng góp vào các số lượng tử của chúng, chứa các cặp hạt quark ảo-phản quark ảo (qq) gọi là biển quark (q
s). 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".[81] 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.[82]
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.[85] 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. [86] 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),[87] 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".[88]
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.[89]
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.[90]
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
