Nếu bạn vẫn còn sợ cụm từ cơ học lượng tử và vẫn chưa biết mô hình chuẩn là gì, chào mừng bạn đến với con mèo. Trong ấn phẩm của mình, tôi sẽ cố gắng giải thích những điều cơ bản của thế giới lượng tử, cũng như vật lý hạt cơ bản, một cách đơn giản và rõ ràng nhất có thể. Chúng ta sẽ cố gắng tìm ra sự khác biệt chính giữa fermion và boson là gì, tại sao quark lại có những cái tên kỳ lạ như vậy, và cuối cùng, tại sao mọi người lại muốn tìm ra Higgs Boson đến vậy.
Chúng ta được làm bằng gì?
Chà, chúng ta sẽ bắt đầu cuộc hành trình vào thế giới vi mô bằng một câu hỏi đơn giản: những đồ vật xung quanh chúng ta được làm từ gì? Thế giới của chúng ta, giống như một ngôi nhà, bao gồm nhiều viên gạch nhỏ, khi kết hợp theo một cách đặc biệt sẽ tạo ra một cái gì đó mới mẻ, không chỉ về hình thức mà còn về đặc tính của nó. Trên thực tế, nếu quan sát kỹ, bạn sẽ thấy rằng không có nhiều loại khối khác nhau, chúng chỉ kết nối với nhau theo những cách khác nhau mỗi lần, tạo thành những hình dạng và hiện tượng mới. Mỗi khối là một hạt cơ bản không thể phân chia được, điều này sẽ được thảo luận trong câu chuyện của tôi.
Ví dụ, hãy lấy một số chất, coi nó là nguyên tố thứ hai trong bảng tuần hoàn Mendeleev, một loại khí trơ, khí heli. Giống như các chất khác trong Vũ trụ, helium bao gồm các phân tử, lần lượt được hình thành bởi liên kết giữa các nguyên tử. Nhưng trong trường hợp này, đối với chúng ta, helium hơi đặc biệt vì nó chỉ bao gồm một nguyên tử.
Một nguyên tử bao gồm những gì?
Ngược lại, nguyên tử helium bao gồm hai neutron và hai proton, tạo nên hạt nhân nguyên tử, xung quanh có hai electron quay. Điều thú vị nhất là điều duy nhất tuyệt đối không thể chia cắt ở đây là điện tử.
Khoảnh khắc thú vị của thế giới lượng tửLàm sao ít hơn khối lượng của hạt cơ bản hơn cô ấy chiếm không gian. Chính vì lý do này mà các electron, nhẹ hơn proton 2000 lần, chiếm nhiều không gian hơn so với hạt nhân nguyên tử.
Neutron và proton thuộc nhóm được gọi là hadron(các hạt chịu sự tương tác mạnh), và nói chính xác hơn, baryon.
Hadron có thể được chia thành các nhóm
- Baryon, bao gồm ba quark
- Meson, bao gồm một cặp hạt-phản hạt
Neutron, như tên gọi của nó, mang điện tích trung tính và có thể được chia thành hai quark xuống và một quark lên. Một proton, một hạt tích điện dương, tách thành một quark xuống và hai quark lên.
Vâng, vâng, tôi không đùa đâu, chúng thực sự được gọi là trên và dưới. Có vẻ như nếu chúng ta phát hiện ra quark lên và xuống, và thậm chí cả electron, chúng ta có thể sử dụng chúng để mô tả toàn bộ Vũ trụ. Nhưng tuyên bố này sẽ rất xa sự thật.
Vấn đề chính là các hạt phải tương tác với nhau bằng cách nào đó. Nếu thế giới chỉ bao gồm bộ ba này (neutron, proton và electron), thì các hạt sẽ bay xung quanh những không gian rộng lớn và sẽ không bao giờ tập hợp thành những dạng lớn hơn, chẳng hạn như hadron.
Fermion và Boson
Cách đây khá lâu, các nhà khoa học đã nghĩ ra một dạng biểu diễn các hạt cơ bản tiện lợi và ngắn gọn, được gọi là mô hình chuẩn. Hóa ra tất cả các hạt cơ bản đều được chia thành fermion, từ đó mọi vật chất bao gồm, và boson, mang nhiều loại tương tác khác nhau giữa các fermion.
Sự khác biệt giữa các nhóm này là rất rõ ràng. Thực tế là các fermion cần một không gian nào đó để tồn tại theo các quy luật của thế giới lượng tử, nhưng đối với boson thì sự hiện diện của không gian tự do gần như không quan trọng.
Fermion
Một nhóm fermion, như đã đề cập, tạo ra vật chất nhìn thấy được xung quanh chúng ta. Bất cứ điều gì chúng ta nhìn thấy, bất cứ nơi nào chúng ta nhìn thấy, đều được tạo ra bởi fermion. Fermion được chia thành hạt quark, tương tác mạnh với nhau và bị nhốt bên trong những hạt phức tạp hơn như hadron, và lepton, tồn tại tự do trong không gian độc lập với đồng loại của chúng.quarkđược chia thành hai nhóm.
- Loại hàng đầu. Các quark loại đỉnh, có điện tích +2\3, bao gồm: quark đỉnh, quark duyên và quark thật
- Loại đáy. Các quark thuộc loại thấp hơn, có điện tích -1\3, bao gồm: quark đáy, quark lạ và quark duyên
Lepton cũng được chia thành hai nhóm.
- Nhóm thứ nhất có điện tích “-1”, bao gồm: electron, muon (hạt nặng hơn) và hạt tau (có khối lượng lớn nhất)
- Nhóm thứ hai, mang điện tích trung tính, chứa: neutrino electron, neutrino muon và neutrino tau
Câu hỏi đặt ra là liệu các nhà vật lý có tìm thấy thêm vài thế hệ hạt nữa thậm chí còn có khối lượng lớn hơn những thế hệ trước hay không. Thật khó để trả lời, nhưng các nhà lý thuyết tin rằng các thế hệ lepton và quark được giới hạn ở ba thế hệ.
Bạn không thấy điểm tương đồng nào sao? Cả quark và lepton đều được chia thành hai nhóm, mỗi nhóm có một nhóm khác nhau? Nhưng nhiều hơn về điều đó sau ...
Boson
Không có chúng, fermion sẽ bay vòng quanh vũ trụ theo một dòng liên tục. Nhưng bằng cách trao đổi boson, các fermion giao tiếp với nhau một số loại tương tác. Bản thân các boson thực tế không tương tác với nhau.Trên thực tế, một số boson vẫn tương tác với nhau, nhưng điều này sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong các bài viết sau về các vấn đề của thế giới vi mô.
Tương tác được truyền bởi boson là:
- Điện từ, hạt là photon. Ánh sáng được truyền đi bằng cách sử dụng những hạt không có khối lượng này.
- Hạt nhân mạnh, hạt là gluon. Với sự trợ giúp của chúng, các quark từ hạt nhân nguyên tử không bị vỡ thành các hạt riêng lẻ.
- hạt nhân yếu, hạt - ±W và Z boson. Với sự giúp đỡ của họ, các fermion truyền khối lượng, năng lượng và có thể biến đổi lẫn nhau.
- Lực hấp dẫn , hạt - graviton. Một lực cực kỳ yếu ở quy mô vi mô. Chỉ hiển thị trên các cơ thể siêu lớn.
Mệnh đề về tương tác hấp dẫn.
Sự tồn tại của graviton vẫn chưa được xác nhận bằng thực nghiệm. Chúng chỉ tồn tại dưới dạng phiên bản lý thuyết. Trong hầu hết các trường hợp, chúng không được xem xét trong mô hình chuẩn.
Thế là xong, mô hình tiêu chuẩn đã được lắp ráp.
Những vấn đề chỉ mới bắt đầu
Mặc dù sự thể hiện rất đẹp của các hạt trong sơ đồ, vẫn còn hai câu hỏi. Các hạt lấy khối lượng từ đâu và chúng là gì? boson Higgs, nổi bật so với các boson còn lại.
Để hiểu ý tưởng sử dụng boson Higgs, chúng ta cần chuyển sang lý thuyết trường lượng tử. Nói một cách đơn giản, có thể lập luận rằng toàn bộ thế giới, toàn bộ Vũ trụ, không bao gồm những hạt nhỏ nhất, mà bao gồm nhiều trường khác nhau: gluon, quark, electron, điện từ, v.v. Trong tất cả các lĩnh vực này, những biến động nhỏ liên tục xảy ra. Nhưng chúng ta cảm nhận được hạt mạnh nhất trong số chúng là các hạt cơ bản. Đúng, và luận điểm này gây nhiều tranh cãi. Từ quan điểm của thuyết nhị nguyên sóng hạt, cùng một vật thể của thế giới vi mô trong các tình huống khác nhau hoạt động như một sóng hoặc như một hạt cơ bản, điều đó chỉ phụ thuộc vào việc nhà vật lý quan sát quá trình để mô hình hóa tình huống đó như thế nào là thuận tiện hơn; .
trường Higgs
Hóa ra có một cái gọi là trường Higgs, giá trị trung bình của nó không muốn tiến tới mức 0. Kết quả là, trường này cố gắng nhận một số giá trị không đổi khác 0 trong toàn bộ Vũ trụ. Trường tạo thành một nền không đổi và có mặt khắp nơi, là kết quả của các dao động mạnh mà hạt Higgs Boson xuất hiện.Và chính nhờ trường Higgs mà các hạt có khối lượng.
Khối lượng của hạt cơ bản phụ thuộc vào mức độ tương tác của nó với trường Higgs, liên tục bay vào bên trong nó.
Và chính vì Higgs Boson, hay chính xác hơn là vì trường của nó mà mô hình chuẩn có rất nhiều nhóm hạt giống nhau. Trường Higgs buộc phải tạo ra nhiều hạt bổ sung, chẳng hạn như neutrino.
Kết quả
Những gì tôi đã chia sẻ là những khái niệm hời hợt nhất về bản chất của mô hình chuẩn và lý do tại sao chúng ta cần Higgs Boson. Một số nhà khoa học vẫn hy vọng sâu sắc rằng hạt giống Higgs được tìm thấy vào năm 2012 tại LHC chỉ đơn giản là một lỗi thống kê. Rốt cuộc, trường Higgs đã phá vỡ nhiều đối xứng đẹp đẽ của tự nhiên, khiến cho các phép tính của các nhà vật lý trở nên khó hiểu hơn.
Một số thậm chí còn tin rằng mô hình tiêu chuẩn đã ở những năm cuối đời do sự không hoàn hảo của nó. Nhưng điều này chưa được chứng minh bằng thực nghiệm, và mô hình chuẩn của các hạt cơ bản vẫn là một ví dụ điển hình về tư duy thiên tài của con người.
Mẫu chuẩn là một lý thuyết hiện đại về cấu trúc và tương tác của các hạt cơ bản, được thử nghiệm nhiều lần bằng thực nghiệm. Lý thuyết này dựa trên một số lượng rất nhỏ các định đề và cho phép dự đoán về mặt lý thuyết các tính chất của hàng nghìn quá trình khác nhau trong thế giới của các hạt cơ bản. Trong phần lớn các trường hợp, những dự đoán này được xác nhận bằng thực nghiệm, đôi khi có độ chính xác cực cao và những trường hợp hiếm hoi khi các dự đoán của Mô hình Chuẩn khác với thực nghiệm trở thành chủ đề tranh luận sôi nổi.
Mô hình Chuẩn là ranh giới ngăn cách giữa những gì được biết một cách đáng tin cậy với những gì được giả thuyết trong thế giới của các hạt cơ bản. Bất chấp thành công ấn tượng của nó trong việc mô tả các thí nghiệm, Mô hình Chuẩn không thể được coi là lý thuyết dứt khoát về các hạt cơ bản. Các nhà vật lý chắc chắn rằng nó phải là một phần của lý thuyết sâu sắc hơn về cấu trúc của thế giới vi mô. Đây là loại lý thuyết gì vẫn chưa được biết chắc chắn. Các nhà lý thuyết đã phát triển một số lượng lớn các ứng cử viên cho một lý thuyết như vậy, nhưng chỉ có thí nghiệm mới cho thấy cái nào trong số chúng tương ứng với tình huống thực tế trong Vũ trụ của chúng ta. Đây là lý do tại sao các nhà vật lý kiên trì tìm kiếm bất kỳ sai lệch nào so với Mô hình Chuẩn, bất kỳ hạt, lực hoặc hiệu ứng nào mà Mô hình Chuẩn không dự đoán được. Các nhà khoa học gọi chung tất cả những hiện tượng này là “Vật lý mới”; chính xác việc tìm kiếm Vật lý mới là nhiệm vụ chính của Máy Va chạm Hadron Lớn.
Các thành phần cơ bản của mô hình chuẩn
Công cụ hoạt động của Mô hình Chuẩn là lý thuyết trường lượng tử - một lý thuyết thay thế cơ học lượng tử ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Đối tượng chính trong nó không phải là các hạt như trong cơ học cổ điển, cũng không phải là “sóng hạt” như trong cơ học lượng tử, mà là trường lượng tử: electron, muon, điện từ, quark, v.v. - một cho mỗi loại “thực thể của thế giới vi mô”.
Cả chân không và những gì chúng ta cảm nhận được như các hạt riêng lẻ, cũng như những dạng phức tạp hơn không thể quy giản thành các hạt riêng lẻ - tất cả những điều này được mô tả là các trạng thái khác nhau của trường. Khi các nhà vật lý sử dụng từ “hạt”, thực ra họ muốn nói đến những trạng thái trường này chứ không phải những vật thể điểm riêng lẻ.
Mô hình tiêu chuẩn bao gồm các thành phần chính sau:
- Một tập hợp các “khối xây dựng” cơ bản của vật chất - sáu loại lepton và sáu loại quark. Tất cả các hạt này đều có 1/2 fermion và tự tổ chức thành ba thế hệ một cách rất tự nhiên. Vô số hadron, những hạt cấu thành liên quan đến lực mạnh, được tạo thành từ các quark ở những tổ hợp khác nhau.
- Ba loại lực lượng, tác dụng giữa các fermion cơ bản - điện từ, yếu và mạnh. Tương tác yếu và tương tác điện từ là hai mặt của một tương tác điện yếu. Tương tác mạnh là thứ duy nhất liên kết các quark thành hadron.
- Tất cả các lực này được mô tả trên cơ sở nguyên tắc đo- chúng không được đưa vào lý thuyết một cách “bắt buộc”, mà dường như tự phát sinh do yêu cầu về tính đối xứng của lý thuyết đối với những phép biến đổi nhất định. Một số kiểu đối xứng nhất định làm phát sinh tương tác mạnh và tương tác điện yếu.
- Mặc dù thực tế là bản thân lý thuyết này có tính đối xứng điện yếu, nhưng trong thế giới của chúng ta, nó bị phá vỡ một cách tự nhiên. Sự phá vỡ tự phát tính đối xứng điện yếu là một yếu tố cần thiết của lý thuyết và trong Mô hình Chuẩn, sự vi phạm xảy ra do cơ chế Higgs.
- Giá trị số cho khoảng hai chục hằng số: đây là khối lượng của các fermion cơ bản, các giá trị bằng số của hằng số ghép của các tương tác đặc trưng cho cường độ của chúng và một số đại lượng khác. Tất cả đều được rút ra một lần và mãi mãi từ việc so sánh với kinh nghiệm và không còn được điều chỉnh trong các tính toán tiếp theo.
Ngoài ra, Mô hình Chuẩn là một lý thuyết có thể tái chuẩn hóa, nghĩa là tất cả các yếu tố này được đưa vào nó theo cách tự nhất quán, về nguyên tắc, cho phép thực hiện các phép tính với mức độ chính xác cần thiết. Tuy nhiên, các phép tính với mức độ chính xác mong muốn thường cực kỳ phức tạp, nhưng đây không phải là vấn đề với bản thân lý thuyết mà là với khả năng tính toán của chúng ta.
Mô hình Chuẩn có thể và không thể làm gì
Mô hình Chuẩn phần lớn là một lý thuyết mang tính mô tả. Nó không cung cấp câu trả lời cho nhiều câu hỏi bắt đầu bằng “tại sao”: tại sao lại có quá nhiều hạt và chỉ có những hạt phù hợp? Những tương tác cụ thể này đến từ đâu và có chính xác những đặc tính này? Tại sao thiên nhiên lại cần tạo ra ba thế hệ fermion? Tại sao các giá trị số của các tham số lại chính xác như vậy? Ngoài ra, Mô hình Chuẩn không có khả năng mô tả một số hiện tượng quan sát được trong tự nhiên. Đặc biệt, không có chỗ cho khối lượng neutrino và các hạt vật chất tối. Mô hình Chuẩn không tính đến lực hấp dẫn và không biết điều gì sẽ xảy ra với lý thuyết này ở thang năng lượng Planck, khi lực hấp dẫn trở nên cực kỳ quan trọng.
Nếu bạn sử dụng Mô hình Chuẩn cho mục đích đã định của nó, để dự đoán kết quả va chạm của các hạt cơ bản, thì nó cho phép, tùy thuộc vào quy trình cụ thể, thực hiện các phép tính với mức độ chính xác khác nhau.
- Đối với các hiện tượng điện từ (tán xạ electron, mức năng lượng), độ chính xác có thể đạt tới phần triệu hoặc thậm chí cao hơn. Kỷ lục ở đây được nắm giữ bởi mô men từ dị thường của electron, được tính toán với độ chính xác cao hơn một phần tỷ.
- Nhiều quá trình năng lượng cao xảy ra do tương tác điện yếu được tính toán với độ chính xác cao hơn một phần trăm.
- Tương tác khó tính toán nhất là ở mức năng lượng không quá cao. Độ chính xác của việc tính toán các quá trình như vậy rất khác nhau: trong một số trường hợp, nó có thể đạt tới tỷ lệ phần trăm, trong các trường hợp khác, các phương pháp lý thuyết khác nhau có thể đưa ra câu trả lời khác nhau nhiều lần.
Điều đáng nhấn mạnh là thực tế là một số quy trình khó tính toán với độ chính xác cần thiết không có nghĩa là “lý thuyết này kém”. Chỉ là nó rất phức tạp và các kỹ thuật toán học hiện tại vẫn chưa đủ để theo dõi tất cả các hậu quả của nó. Đặc biệt, một trong những Bài toán Thiên niên kỷ toán học nổi tiếng liên quan đến bài toán giam cầm trong lý thuyết lượng tử với các tương tác chuẩn phi Abelian.
Đọc thêm:
- Thông tin cơ bản về cơ chế Higgs có thể được tìm thấy trong cuốn sách “Vật lý của các hạt cơ bản” của L. B. Okun (ở cấp độ từ ngữ và hình ảnh) và “Lepton và Quarks” (ở cấp độ nghiêm túc nhưng dễ tiếp cận).
Một khám phá gần đây của một nhóm các nhà khoa học do Joaquim Mathias dẫn đầu lần đầu tiên đã làm rung chuyển nghiêm trọng nền tảng của vật lý hạt hiện đại, cụ thể là Mô hình Chuẩn. Các nhà nghiên cứu đã có thể dự đoán một biến thể phi tiêu chuẩn của sự phân rã của hạt meson B mà mô hình này không tính đến. Hơn nữa, gần như ngay lập tức dự đoán của họ đã được xác nhận bằng thực nghiệm.
Cần lưu ý rằng gần đây các nhà vật lý tham gia nghiên cứu các hạt cơ bản ngày càng nói rằng ngành học này đã trở nên quá chật chội trong khuôn khổ Mô hình Chuẩn quen thuộc. Quả thực, nhiều hiện tượng đã được ghi lại rất khó giải thích trong khuôn khổ của nó. Ví dụ, mô hình này không thể dự đoán những hạt nào có thể tạo nên vật chất tối và cũng không trả lời câu hỏi khiến các nhà khoa học đau đầu từ lâu - tại sao trong Vũ trụ của chúng ta lại có nhiều vật chất hơn phản vật chất (sự bất đối xứng baryonic). Và cách giải thích ion hóa của quá trình biến đổi nguội của hạt nhân, mà chúng ta đã viết cách đây không lâu, cũng vượt ra ngoài “tác dụng” của chính Mô hình Chuẩn đó.
Tuy nhiên, hầu hết các nhà vật lý vẫn tuân theo phương pháp đặc biệt này để giải thích sự sống bí ẩn của các hạt cơ bản. Một phần vì chưa có ai tạo ra được thứ gì tốt hơn, một phần vì hầu hết các dự đoán của Mô hình Chuẩn vẫn có sự xác nhận thực nghiệm (điều này không thể nói về các giả thuyết thay thế). Hơn nữa, cho đến gần đây người ta vẫn chưa thể tìm thấy những sai lệch nghiêm trọng so với mô hình này trong các thí nghiệm. Tuy nhiên, có vẻ như điều này đã xảy ra cách đây không lâu. Điều này có thể có nghĩa là sự ra đời của một lý thuyết vật lý hạt hoàn toàn mới, theo đó Mô hình Chuẩn hiện tại sẽ trông giống như một trường hợp đặc biệt - giống như lý thuyết về lực hấp dẫn phổ quát của Newton trông giống như một trường hợp đặc biệt của lực hấp dẫn trong khuôn khổ thuyết tương đối rộng.
Mọi chuyện bắt đầu với thực tế là một nhóm các nhà vật lí quốc tế do Joaquim Mathias dẫn đầu đã đưa ra một số dự đoán về những sai lệch nào trong xác suất phân hủy meson B có thể khác với Mô hình Chuẩn và chỉ ra nền vật lí mới. Hãy để tôi nhắc bạn rằng meson B là một hạt bao gồm một quark b và một phản quark d. Theo Mô hình Chuẩn, hạt này có thể phân hủy thành muon (hạt tích điện âm, về cơ bản là electron rất nặng) và phản muon, mặc dù xác suất xảy ra sự kiện như vậy không cao lắm. Tuy nhiên, năm ngoái tại một hội nghị ở Kyoto, các nhà vật lý làm việc tại Máy Va chạm Hadron Lớn đã báo cáo rằng họ có thể phát hiện ra dấu vết của sự phân rã như vậy (và với xác suất đã được dự đoán về mặt lý thuyết).
Nhóm của Mathias tin rằng meson này sẽ phân rã theo một cách hơi khác - thành một cặp muon và một hạt K* cho đến nay vẫn chưa được biết đến, chúng gần như phân hủy ngay lập tức thành kaon và pion (hai meson nhẹ hơn). Đáng chú ý là các nhà khoa học đã báo cáo kết quả nghiên cứu của họ vào ngày 19 tháng 7 tại một cuộc họp của Hiệp hội Vật lý Châu Âu và diễn giả tiếp theo trong số những người phát biểu tại sự kiện này (đây là nhà vật lý Nicolas Serra từ nhóm cộng tác LHCb từ Hadron Lớn). Collider) báo cáo rằng nhóm của ông đã ghi lại được những dấu vết phân rã như vậy. Hơn nữa, kết quả thực nghiệm của nhóm Serra gần như hoàn toàn trùng khớp với những sai lệch được dự đoán trong báo cáo của Tiến sĩ Mathias và các đồng tác giả!
Điều thú vị là, các nhà vật lý ước tính những kết quả này có ý nghĩa thống kê là 4,5σ, nghĩa là độ tin cậy của sự kiện được mô tả là rất rất cao. Hãy để tôi nhắc bạn rằng bằng chứng thực nghiệm về ba σ được coi là kết quả có ý nghĩa quan trọng, và năm σ được coi là một khám phá hoàn toàn thành công - đây là giá trị độ tin cậy được gán cho kết quả của các thí nghiệm năm ngoái, cuối cùng đã phát hiện ra dấu vết của sự tồn tại của boson Higgs
Tuy nhiên, bản thân Tiến sĩ Matthias cũng cho rằng chưa cần phải vội vàng đưa ra kết luận. “Sẽ cần phải có những nghiên cứu lý thuyết bổ sung, cũng như những phép đo mới, để xác nhận những kết quả này. Tuy nhiên, nếu kết luận của chúng tôi thực sự đúng, chúng ta sẽ phải đối mặt với sự xác nhận trực tiếp đầu tiên về sự tồn tại của vật lý mới – một lý thuyết tổng quát hơn lý thuyết cũ.” Nhà khoa học cho biết: Nếu boson Higgs cuối cùng đã giải được câu đố của Mô hình Chuẩn, thì những kết quả này có thể là mảnh ghép đầu tiên của một câu đố mới – lớn hơn nhiều”.
Ngày nay, Mô hình Chuẩn là một trong những cấu trúc lý thuyết quan trọng nhất trong vật lý hạt, mô tả các tương tác điện từ, yếu và mạnh của tất cả các hạt cơ bản. Các quy định và thành phần chính của lý thuyết này được mô tả bởi nhà vật lý, thành viên tương ứng của Viện Hàn lâm Khoa học Nga Mikhail Danilov
1
Giờ đây, dựa trên dữ liệu thực nghiệm, một lý thuyết rất hoàn hảo đã được tạo ra mô tả hầu hết tất cả các hiện tượng mà chúng ta quan sát được. Lý thuyết này được gọi một cách khiêm tốn là “Mô hình chuẩn của các hạt cơ bản”. Nó có ba thế hệ fermion: quark và lepton. Có thể nói đây là vật liệu xây dựng. Mọi thứ chúng ta thấy xung quanh đều được xây dựng từ thế hệ đầu tiên. Nó bao gồm các quark u và d, một electron và một neutrino electron. Proton và neutron được tạo thành từ ba quark: uud và udd tương ứng. Nhưng còn có hai thế hệ quark và lepton nữa, ở một mức độ nào đó, chúng lặp lại thế hệ đầu tiên, nhưng nặng hơn và cuối cùng phân rã thành các hạt thuộc thế hệ thứ nhất. Tất cả các hạt đều có phản hạt có điện tích trái dấu.
2
Mô hình chuẩn bao gồm ba tương tác. Lực điện từ giữ các electron trong nguyên tử và các nguyên tử trong phân tử. Hạt truyền tương tác điện từ là photon. Tương tác mạnh giữ các proton và neutron bên trong hạt nhân nguyên tử, và các quark bên trong proton, neutron và các hadron khác (như L. B. Okun đề xuất gọi các hạt tham gia vào tương tác mạnh). Tương tác mạnh liên quan đến các quark và hadron được tạo ra từ chúng, cũng như các chất mang chính sự tương tác - gluon (từ keo tiếng Anh - keo). Hadron bao gồm ba quark, giống như một proton và một neutron, hoặc một quark và một phản quark, chẳng hạn như một π± meson, bao gồm các u- và phản-d-quark. Tương tác yếu dẫn đến những phân rã hiếm gặp, chẳng hạn như sự phân rã của neutron thành proton, electron và phản neutrino electron. Các hạt mang tương tác yếu là boson W và Z. Cả quark và lepton đều tham gia vào tương tác yếu, nhưng ở mức năng lượng của chúng ta thì nó rất nhỏ. Tuy nhiên, điều này được giải thích đơn giản là do khối lượng lớn của các boson W và Z, nặng hơn proton hai bậc độ lớn. Ở những năng lượng lớn hơn khối lượng của boson W và Z, lực của tương tác điện từ và tương tác yếu trở nên tương đương nhau, và chúng kết hợp thành một tương tác điện yếu duy nhất. Người ta giả định rằng tại nhiều b ồ năng lượng cao hơn và sự tương tác mạnh mẽ sẽ hợp nhất với phần còn lại. Ngoài tương tác điện yếu và tương tác mạnh, còn có tương tác hấp dẫn, tương tác này không được đưa vào Mô hình Chuẩn.
Boson W, Z
g - gluon
H0 là boson Higgs.
3
Mô hình Chuẩn chỉ có thể được xây dựng cho các hạt cơ bản không có khối lượng, tức là quark, lepton, boson W và Z. Để chúng thu được khối lượng, trường Higgs, được đặt theo tên của một trong những nhà khoa học đề xuất cơ chế này, thường được đưa vào. Trong trường hợp này, phải có một hạt cơ bản khác trong Mô hình Chuẩn - boson Higgs. Việc tìm kiếm viên gạch cuối cùng này trong tòa nhà mảnh mai của Mô hình Chuẩn đang được tiến hành tích cực tại máy va chạm lớn nhất thế giới - Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC). Người ta đã nhận được nhiều dấu hiệu về sự tồn tại của boson Higgs với khối lượng khoảng 133 lần khối lượng proton. Tuy nhiên, độ tin cậy thống kê của các chỉ dẫn này vẫn chưa đủ. Dự kiến đến cuối năm 2012 tình hình sẽ trở nên rõ ràng hơn.
4
Mô hình Chuẩn mô tả hoàn hảo hầu hết các thí nghiệm trong vật lý hạt cơ bản, mặc dù việc tìm kiếm các hiện tượng ngoài khuôn khổ Mô hình Chuẩn vẫn được tiến hành liên tục. Gợi ý mới nhất về vật lý học ngoài SM là khám phá vào năm 2011 về một sự khác biệt lớn bất ngờ về tính chất của cái gọi là meson quyến rũ và phản hạt của chúng trong thí nghiệm LHCb tại LHC. Tuy nhiên, rõ ràng, ngay cả sự khác biệt lớn như vậy cũng có thể được giải thích trong khuôn khổ SM. Mặt khác, vào năm 2011, người ta đã thu được một xác nhận khác về SM, vốn đã được tìm kiếm trong nhiều thập kỷ, dự đoán sự tồn tại của các hadron kỳ lạ. Các nhà vật lý từ Viện Vật lý lý thuyết và Thực nghiệm (Moscow) và Viện Vật lý hạt nhân (Novosibirsk) trong khuôn khổ thí nghiệm BELLE quốc tế đã phát hiện ra các hadron gồm hai quark và hai phản quark. Rất có thể, đây là những phân tử được tạo thành từ meson, được dự đoán bởi các nhà lý thuyết ITEP M. B. Voloshin và L. B. Okun.
5
Bất chấp tất cả những thành công của Mô hình Chuẩn, nó vẫn có nhiều nhược điểm. Số lượng tham số miễn phí của lý thuyết vượt quá 20 và hoàn toàn không rõ hệ thống phân cấp của chúng đến từ đâu. Tại sao khối lượng của quark t lớn hơn 100 nghìn lần khối lượng của quark u? Tại sao hằng số ghép của quark t và d, lần đầu tiên được đo trong thí nghiệm ARGUS quốc tế với sự tham gia tích cực của các nhà vật lý ITEP, lại nhỏ hơn 40 lần so với hằng số ghép của c- và d-quark? SM không trả lời những câu hỏi này. Cuối cùng, tại sao lại cần đến 3 thế hệ quark và lepton? Các nhà lý thuyết người Nhật M. Kobayashi và T. Maskawa đã chứng minh vào năm 1973 rằng sự tồn tại của 3 thế hệ quark giúp giải thích sự khác biệt về tính chất của vật chất và phản vật chất. Giả thuyết của M. Kobayashi và T. Maskawa đã được xác nhận trong các thí nghiệm BELLE và BaBar với sự tham gia tích cực của các nhà vật lý từ BINP và ITEP. Năm 2008, M. Kobayashi và T. Maskawa được trao giải Nobel cho lý thuyết của họ
6
Ngoài ra còn có nhiều vấn đề cơ bản hơn với Mô hình Chuẩn. Chúng ta đã biết rằng SM chưa hoàn thiện. Nghiên cứu vật lý thiên văn cho thấy có vật chất không có trong SM. Đây được gọi là vật chất tối. Nó gấp khoảng 5 lần so với vật chất thông thường mà chúng ta được tạo ra. Có lẽ nhược điểm chính của Mô hình Chuẩn là nó thiếu tính tự thống nhất nội bộ. Ví dụ, khối lượng tự nhiên của boson Higgs, phát sinh trong Mô hình Chuẩn do sự trao đổi của các hạt ảo, lớn hơn nhiều bậc độ lớn so với khối lượng cần thiết để giải thích các hiện tượng quan sát được. Một trong những giải pháp phổ biến nhất hiện nay là giả thuyết siêu đối xứng - giả thuyết cho rằng có sự đối xứng giữa fermion và boson. Ý tưởng này lần đầu tiên được thể hiện vào năm 1971 bởi Yu. A. Golfand và E. P. Likhtman tại Viện Vật lý Lebedev, và hiện nay nó cực kỳ phổ biến.
7
Sự tồn tại của các hạt siêu đối xứng không chỉ giúp ổn định hành vi của SM mà còn cung cấp một ứng cử viên rất tự nhiên cho vai trò của vật chất tối - hạt siêu đối xứng nhẹ nhất. Mặc dù hiện tại không có bằng chứng thực nghiệm đáng tin cậy nào cho lý thuyết này, nhưng nó là một giải pháp tuyệt vời và tao nhã cho các vấn đề của Mô hình Chuẩn đến mức nhiều người tin vào nó. LHC đang tích cực tìm kiếm các hạt siêu đối xứng và các chất thay thế khác cho SM. Ví dụ, họ đang tìm kiếm các chiều bổ sung của không gian. Nếu chúng tồn tại thì nhiều vấn đề có thể được giải quyết. Có lẽ lực hấp dẫn trở nên mạnh ở những khoảng cách tương đối lớn, đó cũng sẽ là một bất ngờ lớn. Các mô hình và cơ chế Higgs khác cho sự xuất hiện khối lượng trong các hạt cơ bản là có thể. Việc tìm kiếm các hiệu ứng ngoài Mô hình Chuẩn đang rất tích cực nhưng cho đến nay vẫn chưa thành công. Nhiều điều sẽ trở nên rõ ràng hơn trong những năm tới.
Trong vật lý, các hạt cơ bản là những vật thể vật lý ở quy mô hạt nhân nguyên tử không thể chia thành các bộ phận cấu thành của chúng. Tuy nhiên, ngày nay, các nhà khoa học đã tìm cách phân chia một số trong số chúng. Cấu trúc và tính chất của những vật thể nhỏ bé này được nghiên cứu bằng vật lý hạt.
Các hạt nhỏ nhất tạo nên mọi vật chất đã được biết đến từ thời cổ đại. Tuy nhiên, những người sáng lập ra cái gọi là “thuyết nguyên tử” được coi là nhà triết học Hy Lạp cổ đại Leucippus và học trò nổi tiếng hơn của ông, Democritus. Người ta cho rằng sau này đã đặt ra thuật ngữ “nguyên tử”. Từ “atomos” trong tiếng Hy Lạp cổ đại được dịch là “không thể chia cắt”, điều này quyết định quan điểm của các triết gia cổ đại.
Sau này người ta biết rằng nguyên tử vẫn có thể được chia thành hai đối tượng vật lý - hạt nhân và electron. Sau đó, hạt này trở thành hạt cơ bản đầu tiên, khi vào năm 1897, người Anh Joseph Thomson tiến hành một thí nghiệm với tia âm cực và phát hiện ra rằng chúng là một dòng gồm các hạt giống hệt nhau có cùng khối lượng và điện tích.
Song song với công trình của Thomson, Henri Becquerel, người nghiên cứu tia X, tiến hành các thí nghiệm với uranium và phát hiện ra một loại bức xạ mới. Năm 1898, một cặp nhà vật lý người Pháp, Marie và Pierre Curie, nghiên cứu nhiều chất phóng xạ khác nhau và phát hiện ra cùng một loại bức xạ phóng xạ. Sau này người ta phát hiện ra nó bao gồm các hạt alpha (2 proton và 2 neutron) và các hạt beta (electron), và Becquerel và Curie sẽ nhận được giải Nobel. Trong khi tiến hành nghiên cứu với các nguyên tố như uranium, radium và polonium, Marie Sklodowska-Curie đã không thực hiện bất kỳ biện pháp an toàn nào, kể cả việc không sử dụng găng tay. Kết quả là vào năm 1934, cô bị bệnh bạch cầu. Để tưởng nhớ những thành tựu của nhà khoa học vĩ đại, nguyên tố do vợ chồng Curie phát hiện ra là polonium đã được đặt tên để vinh danh quê hương của Đức Maria - Polonia, từ tiếng Latin - Ba Lan.
Ảnh từ Đại hội V Solvay năm 1927. Hãy cố gắng tìm tất cả các nhà khoa học từ bài viết này trong bức ảnh này.
Từ năm 1905, Albert Einstein đã dành nhiều ấn phẩm của mình cho sự không hoàn hảo của lý thuyết sóng ánh sáng, những định đề của nó mâu thuẫn với kết quả thí nghiệm. Điều này sau đó đã khiến nhà vật lý xuất sắc nảy ra ý tưởng về “lượng tử ánh sáng” - một phần của ánh sáng. Sau đó, vào năm 1926, nó được đặt tên là “photon”, được dịch từ tiếng Hy Lạp “phos” (“ánh sáng”) bởi nhà hóa học vật lý người Mỹ Gilbert N. Lewis.
Năm 1913, Ernest Rutherford, một nhà vật lý người Anh, dựa trên kết quả các thí nghiệm đã được thực hiện vào thời điểm đó, đã lưu ý rằng khối lượng hạt nhân của nhiều nguyên tố hóa học là bội số của khối lượng hạt nhân hydro. Vì vậy, ông cho rằng hạt nhân hydro là thành phần của hạt nhân của các nguyên tố khác. Trong thí nghiệm của mình, Rutherford đã chiếu xạ một nguyên tử nitơ bằng các hạt alpha, kết quả là nó phát ra một hạt nhất định, được Ernest đặt tên là “proton”, từ “protos” (đầu tiên, chính) trong tiếng Hy Lạp khác. Sau đó người ta đã xác nhận bằng thực nghiệm rằng proton là hạt nhân hydro.
Rõ ràng, proton không phải là thành phần duy nhất trong hạt nhân của các nguyên tố hóa học. Ý tưởng này được dẫn dắt bởi thực tế là hai proton trong hạt nhân sẽ đẩy nhau và nguyên tử sẽ tan rã ngay lập tức. Do đó, Rutherford đưa ra giả thuyết về sự hiện diện của một hạt khác, hạt này có khối lượng bằng khối lượng proton nhưng không mang điện. Một số thí nghiệm của các nhà khoa học về sự tương tác giữa các nguyên tố phóng xạ và nhẹ hơn đã đưa họ đến việc phát hiện ra một loại bức xạ mới khác. Năm 1932, James Chadwick xác định rằng nó bao gồm những hạt rất trung hòa mà ông gọi là neutron.
Do đó, các hạt nổi tiếng nhất đã được phát hiện: photon, electron, proton và neutron.
Hơn nữa, việc phát hiện ra các vật thể hạt nhân mới đã trở thành một sự kiện ngày càng thường xuyên và hiện tại có khoảng 350 hạt được biết đến, chúng thường được coi là “cơ bản”. Những phần chưa được phân chia được coi là không có cấu trúc và được gọi là “cơ bản”.
quay là gì?
Trước khi tiến tới những đổi mới hơn nữa trong lĩnh vực vật lý, các đặc tính của mọi hạt phải được xác định. Điều được biết đến nhiều nhất, ngoài khối lượng và điện tích, còn bao gồm spin. Đại lượng này còn được gọi là “động lượng góc nội tại” và không hề liên quan đến chuyển động của toàn bộ vật thể hạt nhân. Các nhà khoa học đã có thể phát hiện các hạt có spin 0, ½, 1, 3/2 và 2. Để hình dung, dù đơn giản hóa, spin như một đặc tính của một vật, hãy xem xét ví dụ sau.
Cho một vật có spin bằng 1. Khi đó vật đó khi quay 360 độ sẽ trở về vị trí ban đầu. Trên mặt phẳng, vật thể này có thể là một cây bút chì, sau khi xoay 360 độ sẽ ở vị trí ban đầu. Trong trường hợp spin bằng 0, cho dù vật có quay như thế nào thì nó vẫn luôn trông giống nhau, ví dụ như một quả bóng một màu.
Đối với một vòng quay ½, bạn sẽ cần một vật thể vẫn giữ được hình dáng khi xoay 180 độ. Nó có thể là cùng một cây bút chì, chỉ được gọt đối xứng ở cả hai mặt. Vòng quay 2 sẽ yêu cầu duy trì hình dạng khi xoay 720 độ và vòng quay 3/2 sẽ yêu cầu 540.
Đặc tính này rất quan trọng đối với vật lý hạt.
Mô hình chuẩn của hạt và tương tác
Sở hữu một tập hợp ấn tượng các vật thể vi mô tạo nên thế giới xung quanh chúng ta, các nhà khoa học quyết định cấu trúc chúng và đây là cách cấu trúc lý thuyết nổi tiếng được gọi là “Mô hình Chuẩn” được hình thành. Cô mô tả ba tương tác và 61 hạt bằng cách sử dụng 17 hạt cơ bản, một số trong đó cô đã dự đoán từ rất lâu trước khi phát hiện ra.
Ba tương tác đó là:
- Điện từ. Nó xảy ra giữa các hạt tích điện. Trong một trường hợp đơn giản, được biết đến từ trường học, các vật nhiễm điện trái dấu sẽ hút nhau và các vật nhiễm điện cùng loại sẽ đẩy nhau. Điều này xảy ra thông qua cái gọi là chất mang tương tác điện từ - photon.
- Mạnh mẽ, nếu không thì - tương tác hạt nhân. Đúng như tên gọi, tác dụng của nó mở rộng đến các vật thể có cấp độ hạt nhân nguyên tử; nó chịu trách nhiệm thu hút các proton, neutron và các hạt khác cũng bao gồm các quark. Tương tác mạnh được thực hiện bởi gluon.
- Yếu đuối. Hiệu quả ở khoảng cách nhỏ hơn một nghìn lần so với kích thước của lõi. Lepton và quark, cũng như phản hạt của chúng, tham gia vào tương tác này. Hơn nữa, trong trường hợp tương tác yếu chúng có thể biến đổi thành nhau. Các hạt mang là các boson W+, W− và Z0.
Vì vậy Mô hình Chuẩn được hình thành như sau. Nó bao gồm sáu quark, từ đó tất cả các hadron (các hạt chịu tương tác mạnh) được cấu thành:
- Thượng(u);
- Bị mê hoặc (c);
- đúng(t);
- Hạ (d);
- (Những) điều kỳ lạ;
- Đáng yêu (b).
Rõ ràng là các nhà vật lý có rất nhiều tính từ. 6 hạt còn lại là lepton. Đây là những hạt cơ bản có spin ½ không tham gia vào tương tác mạnh.
- Điện tử;
- neutrino điện tử;
- Muôn;
- neutrino Muon;
- Tàu lepton;
- Tau neutrino.
Và nhóm thứ ba của Mô hình Chuẩn là các boson chuẩn, có spin bằng 1 và được biểu diễn dưới dạng các hạt mang tương tác:
- Gluon - mạnh mẽ;
- Photon - điện từ;
- Boson Z - yếu;
- Boson W yếu.
Chúng cũng bao gồm hạt spin-0 được phát hiện gần đây, nói một cách đơn giản, hạt này truyền khối lượng trơ cho tất cả các vật thể hạ hạt nhân khác.
Kết quả là, theo Mô hình Chuẩn, thế giới của chúng ta trông như thế này: mọi vật chất đều gồm có 6 quark, tạo thành các hadron và 6 lepton; tất cả những hạt này có thể tham gia vào ba tương tác, hạt mang của chúng là các boson chuẩn.
Nhược điểm của mô hình chuẩn
Tuy nhiên, ngay cả trước khi phát hiện ra boson Higgs, hạt cuối cùng được Mô hình Chuẩn dự đoán, các nhà khoa học đã vượt quá giới hạn của nó. Một ví dụ nổi bật về điều này là cái gọi là. “tương tác hấp dẫn”, ngang bằng với những tương tác khác ngày nay. Có lẽ, chất mang của nó là một hạt có spin 2, không có khối lượng và là hạt mà các nhà vật lý vẫn chưa thể phát hiện ra - “Graviton”.
Hơn nữa, Mô hình Chuẩn mô tả 61 hạt và ngày nay hơn 350 hạt đã được nhân loại biết đến. Điều này có nghĩa là công việc của các nhà vật lý lý thuyết vẫn chưa kết thúc.
Phân loại hạt
Để làm cho cuộc sống của họ dễ dàng hơn, các nhà vật lý đã nhóm tất cả các hạt tùy thuộc vào đặc điểm cấu trúc và các đặc điểm khác của chúng. Việc phân loại dựa trên các tiêu chí sau:
- Thời gian sống.
- Ổn định. Chúng bao gồm proton và phản proton, electron và positron, photon và graviton. Sự tồn tại của các hạt ổn định không bị giới hạn bởi thời gian, miễn là chúng ở trạng thái tự do, tức là không tương tác với bất cứ điều gì.
- Không ổn định. Tất cả các hạt khác sau một thời gian sẽ phân hủy thành các bộ phận cấu thành của chúng, đó là lý do tại sao chúng được gọi là không ổn định. Ví dụ, muon chỉ tồn tại trong 2,2 micro giây và proton - 2.9.10 * 29 năm, sau đó nó có thể phân hủy thành positron và pion trung tính.
- Cân nặng.
- Các hạt cơ bản không có khối lượng, trong đó chỉ có ba hạt: photon, gluon và graviton.
- Các hạt có khối lượng lớn là tất cả những gì còn lại.
- Ý nghĩa quay.
- Toàn bộ vòng quay, bao gồm. không, có các hạt gọi là boson.
- Các hạt có spin nửa nguyên là fermion.
- Tham gia vào các tương tác.
- Hadron (hạt cấu trúc) là các vật thể hạt nhân tham gia vào cả bốn loại tương tác. Người ta đã đề cập trước đó rằng chúng bao gồm các quark. Hadron được chia thành hai loại phụ: meson (spin nguyên, boson) và baryon (spin bán nguyên, fermion).
- Cơ bản (hạt không có cấu trúc). Chúng bao gồm lepton, quark và boson gauge (đọc trước đó - “Mô hình chuẩn..”).
Ví dụ, khi đã làm quen với việc phân loại tất cả các hạt, bạn có thể xác định chính xác một số trong số chúng. Vì vậy neutron là fermion, hadron, hay đúng hơn là baryon và nucleon, nghĩa là nó có spin nửa số nguyên, bao gồm các quark và tham gia vào 4 tương tác. Nucleon là tên gọi chung của proton và neutron.
- Điều thú vị là những người phản đối thuyết nguyên tử của Democritus, người dự đoán sự tồn tại của nguyên tử, đã tuyên bố rằng bất kỳ chất nào trên thế giới đều được phân chia vô thời hạn. Ở một mức độ nào đó, họ có thể đúng, vì các nhà khoa học đã tìm cách chia nguyên tử thành hạt nhân và electron, hạt nhân thành proton và neutron, và những hạt này lần lượt thành quark.
- Democritus cho rằng các nguyên tử có hình dạng hình học rõ ràng, và do đó, các nguyên tử lửa “sắc bén” sẽ cháy, các nguyên tử thô của chất rắn được giữ chắc chắn với nhau bằng các phần nhô ra của chúng và các nguyên tử mịn của nước trượt trong quá trình tương tác, nếu không thì chúng sẽ chảy.
- Joseph Thomson đã biên soạn mô hình nguyên tử của riêng mình, mà ông coi nó là một vật tích điện dương trong đó các electron dường như bị “mắc kẹt”. Mô hình của ông được gọi là “Mô hình bánh mận”.
- Quark có tên này nhờ nhà vật lý người Mỹ Murray Gell-Mann. Nhà khoa học muốn dùng một từ tương tự như âm thanh của tiếng vịt kêu (kwork). Nhưng trong cuốn tiểu thuyết Finnegans Wake của James Joyce, ông đã gặp từ “quark” trong dòng “Ba quark dành cho ông Mark!”, ý nghĩa của từ này không được xác định chính xác và có thể Joyce chỉ sử dụng nó để làm vần. Murray quyết định gọi các hạt này bằng từ này, vì lúc đó chỉ có ba quark được biết đến.
- Mặc dù các photon, các hạt ánh sáng, không có khối lượng, nhưng ở gần lỗ đen, chúng dường như thay đổi quỹ đạo khi bị lực hấp dẫn hút vào lỗ đen. Trên thực tế, một vật thể siêu nặng làm cong không-thời gian, đó là lý do tại sao mọi hạt, kể cả những hạt không có khối lượng, đều thay đổi quỹ đạo của chúng về phía lỗ đen (xem).
- Máy Va chạm Hadron Lớn chính xác là “hadronic” vì nó cho va chạm hai chùm hadron định hướng, những hạt có kích thước cỡ hạt nhân nguyên tử tham gia vào mọi tương tác.