Các hạt sơ cấp – Phần 1 I/Chúng ta biết gì về vật chất?
Các nhà triết học cổ Hy Lạp cho rằng vũ trụ được cấu thành từ những phần
tử nhỏ bé không thể "cắt nhỏ" được nữa mà họ gọi là nguyên tử. Họ đoán
rằng các đối tượng vật chất đều được tạo thành từ tổ hợp của một số ít các
viên gạch sơ cấp đó, cũng gần giống như các từ là tổ hợp chỉ của dăm ba chữ
cái. Và họ đã đoán đúng. Hơn 2000 năm sau, chúng ta vẫn còn tin rằng điều
đó là đúng, mặc dù bản chất của những viên gạch cơ bản nhất đó cũng đã
tiến hóa rất nhiều.

Ở thế kỷ XIX nhiều nhà khoa học đã chứng tỏ rằng nhiều chất quen thuộc
như oxy và carbon đều có một thành phần nhỏ nhất có thể nhận dạng được
và theo truyền thống Hy Lạp họ cũng gọi chúng là các nguyên tử. Cái tên thì
vãn thế, nhưng lịch sử đã chứng tỏ là đó là một cái tên không đạt, bởi lẽ các
nguyên tử thực sự vẫn có thể cắt nhỏ được. Vào những năm 1930, những
công trình tập thể của Joseph John Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr
và James Chadwick đã cho ra đời một mô hình nguyên tử giống như hệ mặt
trời (vì thế mô hình này còn được gọi là "mẫu hành tinh") mà phần lớn
chúng ta đều đã rất quen thuộc. Trong mô hình này, nguyên tử không phải
là thành phần sơ cấp nhất của vật chất mà là được tạo thành từ một hạt nhân
chứa proton và neutron với đám mây electron bao quanh
Có một thời, nhiều nhà vật lý đã tưởng rằng proton, neutron và electron
chính là các "nguyên tử" theo định nghĩa của người cổ Hy lạp. Nhưng vào
năm 1968, những thí nghiệm được tiến hành trên máy gia tốc tuyến tính ở
Standford, Hoa Kỳ, đã cho thấy rằng các proton và neutron cũng không
phải là các hạt cơ bản nhất, chúng lại được cấu tạo bởi ba hạt nhỏ hơn, đó là
các hạt quark.
Cái tên kỳ cục này đã được Murrey Gell Mann -người đầu tiên đoán sự tồn
tại của chúng -lấy từ cuốn tiểu thuyết Finnegans Wake của nhà văn nổi tiếng

(GeV/c
2
) điện tích(e)
electron neutrino <7 x 10-9 0
electron 0.000511 -1
muon neutrino <0.0003 0
muon
(mu-minus) 0.106 -1
tau neutrino <0.03 0
tau tau-minus) 1.7771 -1

Do không có gì trong trật tự của Vũ trụ, không có một vấn đề nào chưa được
giải quyết cũng như chẳng có một vị trí thích hợp nào đòi hỏi phải có sự tồn
tại của hạt muon, nên nhà vật lý hạt được giải thưởng Nobel Isaac Isidor
Rabi (1898-1988, Nobel Vật lý năm 1944) đã đón tiếp sự phát minh ra nó
với lời chúc mừng không mấy hào hứng: “Ai đã ra lệnh để có mày trên đời
này ?”. Tuy nhiên, muon vẫn hiện diện đó và chúng ta vẫn sẽ còn chưa hết
ngạc nhiên.
Nhờ những công nghệ ngày càng tân tiến hơn, các nhà vật lý tiếp tục bắn
phá các khối vật chất với năng lượng ngày càng cao hơn, và bằng cách đó,
có lúc, họ đã tạo lại được những điều kiện chưa từng thấy kể từ Big Bang.
Họ đào bới trong các mảnh vỡ nhằm tìm kiếm những hạt cơ bản mới để
thêm vào danh sách ngày càng dài của các hạt.
QUARKS
Q = 2/3 quark up u quark charm c quark top t
QUARKS
Q = -1/3 quark down d quark strange s quark bottom b
LEPTONS
Q = -1 électron e
-

năng lượng thuần tuý, chính vì lẽ đó mà chỉ có rất ít phản vật chất có trong
tự nhiên của thế giới bao quanh chúng ta.
Các nhà vật lý cũng đã phát hiện được một loại sơ đồ sắp xếp các hạt: các
thành phần cấu tạo nên vật chất được tổ chức thành ba nhóm hay thường
được gọi là ba họ như được trình bày trong Bảng 1.1. Mỗi họ đều chứa hai
quark, một electron hay một trong số hai hạt họ hàng của nó cùng với
neutrino gắn với chúng. Các loại hạt tương ứng trong cả ba họ đều có tính
chất như nhau, chỉ có điều khối lượng của chúng lớn dần từ họ thứ nhất tới
họ thứ ba. Kết quả là, hiện nay các nhà vật lý đã thăm dò được cấu trúc của
vật chất tới các thang khoảng một phần tỷ mét và chứng tỏ được rằng mọi
thứ mà ta gặp – dù là có trong tự nhiên hay được con người tạo ra từ những
máy va chạm nguyên tử khổng lồ - đều được tạo thành chỉ từ một tổ hợp nào
đó của các hạt trong ba họ đó và các phản-hạt của chúng.

Họ I Họ II Họ III
Hạt Khối
lượng
Hạt Khối
lượng
Hạt Khối
lượng
electron 0,00054 muon 0,11 tau 1,9
neutrino-
e
< 10-8 neutrino-
mu
< 0,0003 neutrino-
tau
< 0,033
quark u 0,0047 quark c 1,6 quark t 189