Thực đơn
Quark
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 (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, ký hiệu hadron) |
| udd | → | uud | + | e⁻ | + | νe | (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.
Độ mạnh của tương tác yếu giữa sáu quark với nhau. "Cường độ" của những đường này được xác định bởi các yếu tố của ma trận CKM.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]
[ | V u d | | V u s | | V u b | | V c d | | V c s | | V c b | | V t d | | V t s | | V t b | ] ≈ [ 0 , 974 0 , 226 0 , 004 0 , 226 0 , 973 0 , 041 0 , 009 0 , 041 0 , 999 ] , {\displaystyle {\begin{bmatrix}|V_{\mathrm {ud} }|&|V_{\mathrm {us} }|&|V_{\mathrm {ub} }|\\|V_{\mathrm {cd} }|&|V_{\mathrm {cs} }|&|V_{\mathrm {cb} }|\\|V_{\mathrm {td} }|&|V_{\mathrm {ts} }|&|V_{\mathrm {tb} }|\end{bmatrix}}\approx {\begin{bmatrix}0,974&0,226&0,004\\0,226&0,973&0,041\\0,009&0,041&0,999\end{bmatrix}},}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 | &0000000000001270.0000001270+70−90 | 1⁄2 | +1⁄3 | +2⁄3 | 0 | +1 | 0 | 0 | 0 | Phản duyên | c |
| Lạ | s | &0000000000000101.000000101+29−21[73] | 1⁄2 | +1⁄3 | −1⁄3 | 0 | 0 | −1 | 0 | 0 | Phản lạ | s |
| Thế hệ thứ ba | ||||||||||||
| Đỉnh | t | &0000000000172000.000000172000+900− ±1.300 | 1⁄2 | +1⁄3 | +2⁄3 | 0 | 0 | 0 | +1 | 0 | Phản đỉnh | t |
| Đáy | b | &0000000000004190.0000004190+180−60 | 1⁄2 | +1⁄3 | −1⁄3 | 0 | 0 | 0 | 0 | −1 | Phản đáy | b |
Thực đơn
QuarkLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Quark