Mô hình chuẩn

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Mô hình chuẩn của vật lý hạt là thuyết miêu tả về tương tác mạnh, tương tác yếu, lực điện từ cũng như những hạt cơ bản tạo nên vật chất. Được phát triển vào những năm đầu của thập niên 1970, mô hình chuẩn là một phần của lý thuyết trường lượng tử, một lý thuyết đã kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp. Ngày nay, hầu hết các thí nghiệm kiểm chứng về 3 lực miêu tả bởi mô hình chuẩn đều đúng như những dự đoán của thuyết này. Tuy nhiên, mô hình chuẩn vẫn chưa là một thuyết thống nhất các lực tự nhiên một cách hoàn toàn, do sự vắng mặt của lực hấp dẫn.

Mô hình chuẩn chứa cả hai loại hạt cơ bản là fermion và boson. Fermion là những hạt có spin bán nguyên và tuân thủ theo nguyên lý loại trừ của Wolfgang Pauli, nguyên lý cho rằng không có hai fermison nào có cùng trạng thái lượng tử với nhau. Các hạt boson có spin nguyên và không tuân theo nguyên lý Pauli. Khái quát hóa, fermison là những hạt vật chất còn boson là những hạt truyền tương tác.

Trong mô hình chuẩn, thuyết điện từ - yếu (bao gồm cả tương tác yếu lẫn lực điện từ) được kết hợp với thuyết sắc động lực học lượng tử. Tất cả những thuyết này đều là lý thuyết gauge, có nghĩa là chúng mô hình hóa các lực giữa các fermion bằng cách tạo ra các boson, có tác dụng như các thành phần trung gian. Hệ Lagrangian của mỗi tập hợp hạt boson trung gian không thay đổi dưới một dạng biến đối gọi là biến đổi gauge, vì thế các boson này còn được gọi là gauge boson. Các boson trong Mô hình chuẩn là:

Photon, hạt trung gian trong tương tác điện từ.
W và Z boson, hạt trung gian trong lực hạt nhân yếu.
8 gluon, hạt truyền trung gian trong lực hạt nhân mạnh. 6 trong số các gluon được đánh dấu bằng các cặp "màu" và "đối màu" (ví dụ như một hạt gluon mang màu "đỏ" và "đối đỏ"), 2 gluon còn lại là cặp màu được "pha trộn" phức tạp hơn.
Higgs boson, hạt gây ra bất đối xứng trong các nhóm gauge, và cũng là loại hạt tạo ra khối lượng quán tính.

Biến đổi gauge của các gauge boson có thể được miêu tả bởi một nhóm unita, gọi là nhóm gauge. Nhóm gauge của tương tác mạnh là SU(3), nhóm gauge của tương tác yếu là SU(2)xU(1). Vì vậy, mô hình chuẩn thường được gọi là SU(3)xSU(2)xU(1). Higg boson là boson duy nhất không thuộc gauge boson, các tính chất của boson này vẫn còn đươc bàn cãi. Graviton là boson được cho là hạt truyền tương tác của tương tác hấp dẫn, nhưng không được nhắc đến trong mô hình chuẩn.

Có 12 dạng fermion khác nhau trong mô hình chuẩn. Cùng với các hạt proton, neutron và electron, những fermion cấu thành nền phần lớn các vật chất. Mô hình chuẩn xác định mỗi electron là hạt cơ bản; proton và neutron là hạt tổ hợp, được tạo bởi các hạt nhỏ hơn có tên gọi là quark. Các hạt quark dính với nhau bởi tương tác mạnh. Các hạt fermion cơ bản được nhắc đến trong mô hình chuẩn là:

**Các fermion trong mô hình chuẩn**
Fermion	Symbol	Electric charge	Weak charge*	Weak isospin	Hypercharge	Color charge*	Mass**
Generation 1
Electron	$e$	-1	2	-1/2	-1/2	1	0.511 MeV
Electron neutrino	$ν e$	0	2	+1/2	-1/2	1	< 50 eV
Positron	$e c$	1	1	0	1	1	0.511 MeV
Electron antineutrino	$\nu_e^c$	0	1	0	0	1	< 50 eV
Up quark	$u$	+2/3	2	+1/2	+1/6	3	~5 MeV ***
Down quark	$d$	-1/3	2	-1/2	+1/6	3	~10 MeV ***
Anti-up antiquark	$u c$	-2/3	1	0	-2/3	$\bar{3}$	~5 MeV ***
Anti-down antiquark	$d c$	+1/3	1	0	+1/3	$\bar{3}$	~10 MeV ***
Generation 2
Muon	$μ$	-1	2	-1/2	-1/2	1	105.6 MeV
Muon neutrino	$ν μ$	0	2	+1/2	-1/2	1	< 0.5 MeV
Anti-Muon	$μ c$	1	1	0	1	1	105.6 MeV
Muon antineutrino	$\nu_\mu^c$	0	1	0	0	1	< 0.5 MeV
Charm quark	$c$	+2/3	2	+1/2	+1/6	3	~1.5 GeV
Strange quark	$s$	-1/3	2	-1/2	+1/6	3	~100 MeV
Anti-charm antiquark	$c c$	-2/3	1	0	-2/3	$\bar{3}$	~1.5 GeV
Anti-strange antiquark	$s c$	+1/3	1	0	+1/3	$\bar{3}$	~100 MeV
Generation 3
Tau	$τ$	-1	2	-1/2	-1/2	1	1.784 GeV
Tau neutrino	$ν τ$	0	2	+1/2	-1/2	1	< 70 MeV
Anti-Tau	$τ c$	1	1	0	1	1	1.784 GeV
Tau antineutrino	$\nu_\tau^c$	0	1	0	0	1	< 70 MeV
Top quark	$t$	+2/3	2	+1/2	+1/6	3	178 GeV
Bottom quark	$b$	-1/3	2	-1/2	+1/6	3	~4.7 GeV
Anti-top antiquark	$t c$	-2/3	1	0	-2/3	$\bar{3}$	178 GeV
Anti-bottom antiquark	$b c$	+1/3	1	0	+1/3	$\bar{3}$	~4.7 GeV

Các fermion có thể được sắp xếp trong 3 lớp, lớp thứ nhất có chứa electron, quark trên (up), quark dưới (down) và electron neutrino. Tất cả các vật chất nguyên sinh được tạo bởi nhóm hạt ở lớp đầu tiên; các hạt ở lớp cao hơn phân rã nhanh chóng xuống lớp thứ nhất và chỉ có thể được tổng hợp trong một thời gian thực ngắn, thông qua các thí nghiệm năng lượng cao. Lý do để sắp xếp các fermion vào các lớp khác nhau mặc dù các đặc điểm của chúng gần giống nhau, ví dụ như electron và muon cùng có spin bán nguyên và có cùng điện tích electron, là do khối lượng của muon lớp gấp 200 lần khối lượng của electron và, do đó, chúng được sắp xếp vào các lớp riêng biệt.

[sửa] Các thách thức trước mặt của mô hình chuẩn

Mặc dầu mô hình chuẩn đã có một thành công rất lớn trong việc giải thích các kết quả của thực nghiệm, song nó vẫn chưa thể trở thành một thuyết hoàn chỉnh trong vật lý cơ bản. Đó là do 2 nguyên nhân:

Mô hình này còn chứa 19 tham số tự do, như khối lượng của các hạt. Các tham số này không thể tính toán một cách độc lập
Mô hình này không miêu tả tương tác hấp dẫn

Hiện tại, mô hình này đang gặp một thử thách không nhỏ, đó là nghi vấn về sự xuất hiện của các hằng số không bền, như c hay e, hay cả hằng số mạng tinh thể. Nếu như các định luật vật lý được chứng mình có vị trí phụ thuộc và có thể khác nhau ở các tọa độ đặc biệt trong không gian, điều đó có nghĩa là tất cả các thí nghiệm sử dụng để chứng minh cho mô hình chuẩn đều không hợp lệ.

Các chủ đề chính trong vật lý
Chuyển động sóng \| Cơ học \| Cơ học chất lưu \| Điện từ học \| Khoa đo lường \| Nhiệt động lực học \| Quang học \| Trạng thái vật chất \| Vật lý hiện đại \| Vật lý thiên văn \| Vật lý thực nghiệm

Lấy từ “http://vi.wikipedia.org../../../m/%C3%B4/_/M%C3%B4_h%C3%ACnh_chu%E1%BA%A9n.html”

Thể loại: Vật lý hạt

Mô hình chuẩn

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

[sửa] Các thách thức trước mặt của mô hình chuẩn

Views

Chuyển hướng

Tìm kiếm

Ngôn ngữ khác