Mục lục
I. Quark là gì ? .................................................................................................................... 1
II. Tính chất của quark ........................................................................................................ 2
III. Lịch sử .......................................................................................................................... 3
IV. Một số vấn đề thực tiễn ................................................................................................ 4
Seminar Hạt cơ bản Trang 1
QUARK
I. Quark là gì ?
Quark là một loại hạt cơ bản và là một thành phần cơ sở của vật chất. Các quark hợp lại
tạo thành những hạt nặng hơn được gọi là các hadron, trong đó proton và neutron là hai hạt
được biết đến nhiều nhất. Quark trong tự nhiên không bao giờ xuất hiện riêng lẽ, chúng ta chỉ
có thể tìm thấy chúng bên trong các hadron.
Có 6 loại quark khác nhau, được biết đến như là các “mùi”: up (u), down (d), charm (c),
strange (s), top (t) và bottom (b). Quark u và d có khối lượng nhỏ nhất trong các quark, do đó
chúng bền và rất phổ biến trong vũ trụ. Những quark khác có khối lượng nặng hơn, chúng sẽ
từ từ phân rã trở thành các quark u và d. Vì thế, các quark nặng c, s, t, b chỉ có thể được tạo ra
trong trong các tán xạ năng lượng cao.
Quark có một số tính chất cơ bản, bao gồm điện tích, màu, spin và khối lượng. Mỗi hạt
quark đề có một phản hạt tương ứng gọi là các antiquark. Một số tính chất của antiquark
mang dấu ngược lại so với quark. Quark còn là các hạt cơ bản duy nhất mang điện tích không
phải là nguyên.
Quark là các fermion (chúng có spin ½) và chúng phải tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli.
Nguyên lý này nói rằng không thể có các hạt fermion cùng lúc chiếm cùng một trạng thái
lượng tử. Điều này trái ngược với các hạt boson là mỗi trạng thái lượng tử có thể bị chiếm
không giới hạn các hạt. Ngoài ra, không giống như lepton, các quark còn có “màu”, cho phép
chúng tương tác lẫn nhau trong tương tác mạnh.
Các fermion cơ bản được chia thành ba nhóm, mỗi nhóm gồm 2 lepton và 2 quark.
Nhóm đầu tiên bao gồm quark u và d, thứ hai là quark s và c, nhóm thứ ba gồm t và b. Tất cả
những sự tìm kiếm cho một nhóm thứ tư đều thất bại và người ta cũng có bằng chứng rằng
không tồn tại một nhóm thứ tư. Các hạt trong những nhóm cao thường có khối lượng lớn hơn
và độ bền kém hơn, dẫn đến phân rã thành các hạt có khối lượng nhẹ hơn thông qua liên kết
yếu. Chỉ có các hạt quark u và d xuất hiện thường xuyên trong tự nhiên, các hạt khác chỉ có
thể được tạo ra trong các tán xạ năng lượng cao và nhanh chóng phân rã.
Tập hợp các hạt quark khác nhau tạo thành các hadron. Có hai loại hadron: baryon gồm 3
quark và meson gồm một quark và một phản quark. Các quark xác định các số lượng tử của
hadron được gọi là các quark hóa trị. Ngoài ra, mỗi hadron có thể chứa một số lượng không
giới hạn các quark, các phản quark và các gluon không ảnh hưởng đến số lượng tử của chúng.
Seminar Hạt cơ bản Trang 2
Mang trong mình điện tích, mùi, màu và khối lượng, các quark là các hạt cơ bản duy
nhất có cả bốn tương tác cơ bản: tương tác điện từ, tương tác yếu, tương tác mạnh và tương
tác hấp dẫn. Tuy nhiên, tương tác hấp dẫn thường không phù hợp trong thang đo dưới nguyên
tử nên không được mô tả trong môn hình chính thống.
II. Tính chất của quark
1. Điện tích
Quark có giá trị điện tích là phân số, có thể là
13
hay
23
điện tích nguyên tố (e).
Các quark u, c và t có điện tích là
23
trong khi đó các quark d, s và b có điện tích
13
.
Phản quark thì có điện tích trái dấu với hạt quark tương ứng của nó (
13
hay
23
). Do
điện tích của hadron là tổng điện tích các quark tạo thành, sự kết hợp của ba quark, ba phản
quark hay một quark và một phản quark luôn luôn tạo nên các điện tích nguyên. Ví dụ như
các hạt như neutron và proton có điện tích là 0 và +1.
2. Spin
Spin là một tính chất cơ bản của các hạt lượng tử. Cũng giống như điện tích, spin của
hadron bằng tổng spin của các quark tạo thành và bằng momen xung lượng toàn phần. Spin
của các quark là
12
và có thể mang các giá trị
12
. Thành phần spin dọc theo một trục nào
đó, thường người ta lấy trục z, thường được ký hiệu bởi
cho giá trị
12
và
cho giá trị
12
, đặt ngay sau ký hiệu của quark. Ví dụ quark u có spin
12
dọc theo trục z được ký
hiệu là
u
.
3. Tương tác yếu
Một hạt quark chỉ có thể chuyển thành một hạt quark khác thông qua tương tác yếu, một
trong bốn tương tác cơ bản trong vật lý. Bằng cách hấp thụ hay bức xạ một boson W, các hạt
quark u, c, t có thể chuyển thành các hạt d, s, b hay ngược lại. Quá trình này thường kèm theo
sự phân rã beta, trong đó hạt neutron phân rã thành một hạt proton, một electron và một phản
neutrino. Điều này xảy ra khi một trong những quark d trong neutron (udd) chuyển thành hạt
quark u bằng cách bức xạ một boson
W
, làm cho neutron chuyển thành proton (uud). Boson
sau đó lại phân rã thành electron là phản electron neutrino
Seminar Hạt cơ bản Trang 3
e
n p e
e
udd uud e
Ngoài ra, cũng có một quá trình ngược lại, trong đó proton chuyển thành neutron bằng
cách bức xạ một boson
và sau đó boson này phân rã thành phản electron (positron
e
) và
một electron neutrino (
e
)
4. Màu quark và tương tác mạnh
Quark có một tính chất vô cùng đặc biệt đó chính là màu. Có ba loại màu: xanh, đỏ,
vàng. Ngoài ra, các phản quark tương ứng cũng có các giá trị “phản màu” tương ứng. Hệ
tương tác giữa các quark thông qua sự kết hợp khác nhau giữa ba màu này được gọi là tương
tác mạnh. Lĩnh vực vật lý nghiên cứu đến tương tác mạnh được gọi là sắc động học lượng tử.
Nguồn của tương tác này chính là các “tích màu” và nhận vai trò truyền tương tác chính là cá
gluon.
Thế giới quan sát được trong thực nghiệm là không có màu, tức là không tồn tại các
quark tự do. Các baryon đều cấu tạo từ 3 quark khác màu nhau phối hợp lại tạo nên không
màu. Các meson được cấu tạo từ quark và phản quark làm cho các hạt này cũng không màu.
5. Khối lượng
Có hai thuật ngữ dùng để chỉ khối lượng của các quark, khối lượng quark hiện tại dùng
để chỉ chính khối lượng bản thân quark và khối lượng quark hợp thành dùng để chỉ khối
lượng quark cộng với khối lượng trường gluon xung quanh nó. Trong một hadron, hầu hết
khối lượng của nó đến từ đến từ các gluon liên kết các quark hợp thành. Như đã biết, các
gluon là không có khối lượng, nhưng chúng mang năng lượng – năng lượng liên kết sắc động
lực học lượng tử (QCBE) - và năng lượng này đã đóng góp rất lớn vào tổng khối lượng của
hadron. Ví dụ một proton gồm một quark d và hai quark u có tổng khối lượng khoảng 938
MeV/c2, trong đó khối lượng của của ba quark chỉ khoảng 11 MeV/c2, số còn lại là từ QCBE.
III. Lịch sử
Các nhà khoa học của thế kỷ 20 đều tin rằng tất cả vật chất đều bao gồm ba loại hạt cơ
bản: proton, neutron và electron và các hạt này không thể được phân chia nhỏ hơn nữa. Tuy
nhiên, cuối những năm 1950, mô hình này không còn giải thích được tất cả những hạt mà các
nhà vật lý tìm ra. Các nhà khoa học cần một mô hình mới cho vấn đề này. Năm 1964, Murray
Gellman và George Zweig độc lập xây dựng nên một lý hạt trong đó các quark chính là các
thành phần cấu tạo của proton và neutron. Hai nhà vật lý này chỉ cần hai loại quark để mô tả
Seminar Hạt cơ bản Trang 4
một cách chính xác proton và neutron: quark up và down. Cũng vào thời điểm đó, các nhà vật
lý cũng tìm ra các loại hạt cơ bản mới và để giải thích cho các hạt này cần đến một loại quark
thứ ba: người ta gọi là quark strange.
Mặc dù các nhà vật lý không cần hơn ba quark để mô tả các hạt hiện có, Sheldon
Glashow (Mỹ), John Iliopoulis (Hy Lạp) và Luciano Maiani (Ý) đã phát triển lý thuyết trong
năm 1970 dự đoán rằng tồn tại hạt quark thứ tư gọi là quark charm. Một hạt chứa hạt quark
này cũng đã được tìm ra vào năm 1974. Đến 1975, sự tìm ra lepton thế hệ thứ ba dẫn các nhà
khoa học tiên đoán rằng có sự tồn tại của các quark thế hệ thứ ba. Sau đó quark bottom được
tìm ra năm 1977 và sau một khoảng thời gian dài tìm kiếm, quark top đã được phát hiện năm
1995. Sự tìm ra quark top đã lấp một lỗ trống trong mô hình chính thống. Đây là lý thuyết do
các nhà vật lý phát triển để mô tả các hạt và tương tác giữa chúng. Mô hình chính thống đã
dự đoán rằng tồn tại ba thế hệ quark, mỗi thế hệ chứa hai loại quark khác nhau.
IV. Một số vấn đề thực tiễn
1. Spin của proton
Bên trong proton là các quark. Do đó, các tính chất của các
phần tử hợp thành này sẽ tạo nên các tính chất của proton. Khi mà
bức tranh quark mới được đưa ra vào những năm 1960, các nhà
vật lý cho rằng mỗi quark bên trong proton di chuyển bên trong
một hình dạng đối xứng cầu, tạo nên một vật thể tương tự như trái
banh. Do đó, spin của proton cũng chỉ đơn giản được tạo thành từ
spin cơ bản của các quark. Tuy nhiên, cuối những năm 1980, các
chứng cớ thực nghiệm bắt đầu cho thấy phần lớn spin của proton
có được từ các chuyển động orbital tương đối giữa các quark hơn
là các spin riêng lẽ của chúng.
Năm 1996, Xiangdong Ji đưa ra một công cụ toán học được
gọi là Generalized Parton Distribution (GPD) và sử dụng nó để
tính toán các số liệu thực nghiệm và từ đó nghiên cứu các hạt bên
trong proton. Tuy nhiên, GDP rất trừu tượng, khó hiểu và chính tác giả cũng thừa nhận là nó
có vẻ phức tạp hơn mức cần thiết.
Để hiểu được cách của Ji miêu tả cấu trúc bên trong proton, hãy nhớ lại tính chất của hạt
lượng tử. Ví dụ một electron bên trong một nguyên tử hydro thường được biểu diễn bởi hình
ảnh đám mây electron. Hình dạng orbital p của nguyên tử cho thấy nơi nào electron thường
xuất hiện nếu nguyên tử đang ở trong trạng thái p. Tương tự, các quark bên trong proton sẽ
Một trong những bức
ảnh của Ji