Mô hình quark (Quark model)

Các loại Quark

Ban đầu, mô hình quark đề xuất ba loại quark, thường được gọi là hương (flavor):

• Up (u): Điện tích +2/3e (e là điện tích cơ bản)
• Down (d): Điện tích -1/3e
• Strange (s): Điện tích -1/3e

Sau này, ba hương quark khác được phát hiện để hoàn thiện bức tranh về các thế hệ quark:

• Charm (c): Điện tích +2/3e
• Bottom (b): Điện tích -1/3e
• Top (t): Điện tích +2/3e

Mỗi quark cũng mang một tính chất gọi là màu sắc (color), có thể là đỏ, xanh lá cây hoặc xanh dương. Lưu ý rằng màu sắc này không liên quan đến màu sắc trực quan mà là một kiểu điện tích tương tự như điện tích thông thường, nhưng phức tạp hơn. Tính chất màu sắc này là cơ sở cho lý thuyết tương tác mạnh, được gọi là Sắc động lực học lượng tử (QCD). Nguyên lý loại trừ Pauli yêu cầu các quark trong cùng một hadron phải có màu sắc khác nhau.

Hadron

Hadron được chia thành hai loại chính:

• Baryon: Được tạo thành từ ba quark. Ví dụ, proton (uud) và neutron (udd). Tổng màu của ba quark trong một baryon luôn là trắng (trung tính màu). Điều này đạt được bằng cách kết hợp ba quark với ba màu sắc khác nhau: đỏ, xanh lá cây và xanh dương.
• Meson: Được tạo thành từ một quark và một antiquark (phản quark). Ví dụ, pion $\pi^{+}$ (u$\bar{d}$). Màu của quark và antiquark trong meson luôn là bổ sung, dẫn đến tổng màu trắng. Ví dụ, nếu quark có màu đỏ, antiquark sẽ có màu anti-đỏ (bổ sung của đỏ).

Số Baryon

Mỗi quark được gán một số baryon B = 1/3, và mỗi antiquark được gán B = -1/3. Do đó:

• Baryon (3 quark): B = 1
• Meson (1 quark + 1 antiquark): B = 0

Số baryon là một đại lượng bảo toàn trong hầu hết các tương tác hạt.

Các tính chất khác

Ngoài điện tích, màu sắc và số baryon, quark cũng mang các tính chất khác như spin (mô men động lượng nội tại – 1/2 đối với quark), isospin (liên quan đến đối xứng giữa quark up và down), và các số lượng tử hương vị như strangeness (độ lạ), charm (độ duyên), bottomness (độ đáy) và topness (độ đỉnh). Những tính chất này đóng vai trò quan trọng trong việc phân loại và hiểu biết về các hạt hadron.

Tương tác mạnh và Sắc động lực học lượng tử (QCD)

Tương tác mạnh, lực giữ các quark lại với nhau bên trong hadron, được mô tả bởi một lý thuyết gọi là Sắc động lực học lượng tử (QCD). Trong QCD, các gluon là hạt mang tương tác mạnh, tương tự như photon mang tương tác điện từ. Điểm khác biệt quan trọng là gluon cũng mang màu sắc, và tương tác của chúng với quark và với nhau là nguyên nhân của sự giam hãm quark.

Giam hãm Quark

Một trong những tính chất quan trọng nhất của QCD là giam hãm quark. Điều này có nghĩa là quark không thể tồn tại một cách cô lập mà luôn bị giam hãm bên trong hadron. Lực mạnh giữa các quark tăng lên theo khoảng cách, do đó cần một năng lượng vô hạn để tách các quark ra khỏi nhau hoàn toàn. Khi năng lượng đủ cao được cung cấp để tách các quark, cặp quark-antiquark mới được tạo ra từ năng lượng đó, dẫn đến sự hình thành hadron mới chứ không phải quark tự do.

Biển Quark

Bên trong proton và neutron, ngoài ba quark hóa trị, còn có một “biển quark” gồm các cặp quark-antiquark ảo liên tục được tạo ra và hủy diệt. Những quark biển này đóng góp vào một số tính chất của hadron, chẳng hạn như spin và khối lượng.

Spin và Mô men động lượng

Quark, giống như các hạt cơ bản khác, có spin nội tại bằng 1/2 (đơn vị $\hbar$). Trong một hadron, spin của các quark kết hợp lại để tạo ra spin tổng của hadron. Ví dụ, trong một baryon, ba quark có thể kết hợp spin của chúng để tạo ra spin tổng là 1/2 hoặc 3/2.

Hương và tính đối xứng

Tính đối xứng giữa các quark up và down được gọi là isospin. Nó tương tự như spin, nhưng hoạt động trong không gian hương. Quark strange mang một số lượng tử gọi là strangeness (độ lạ), charm quark mang charm (độ duyên), bottom quark mang bottomness (độ đáy) và top quark mang topness (độ đỉnh). Những số lượng tử này được bảo toàn trong tương tác mạnh nhưng có thể thay đổi trong tương tác yếu.

Mô hình Quark và các thí nghiệm

Mô hình quark đã được xác nhận bởi nhiều thí nghiệm, bao gồm cả tán xạ deeply inelastic scattering, trong đó các lepton năng lượng cao được bắn vào proton và neutron. Kết quả của các thí nghiệm này đã cho thấy sự tồn tại của các thành phần giống điểm bên trong hadron, phù hợp với sự tồn tại của quark.

Giới hạn của mô hình Quark và Vượt ra ngoài Mô hình Quark

Mặc dù mô hình quark rất thành công trong việc phân loại và giải thích tính chất của hadron, nó không phải là một mô hình hoàn chỉnh. Ví dụ, nó chưa giải thích được khối lượng của hadron một cách đầy đủ, và chưa hoàn toàn giải thích được một số hiện tượng phức tạp hơn trong tương tác mạnh. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc hiểu rõ hơn về QCD và các hiện tượng phức tạp như sự hình thành hadron và cấu trúc của biển quark. Các lý thuyết mới, như lý thuyết dây, cũng có thể cung cấp những hiểu biết sâu sắc hơn về cấu trúc cơ bản của vật chất.

• D. Griffiths, “Introduction to Elementary Particles” (Wiley, 2008).
• F. Halzen and A.D. Martin, “Quarks & Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics” (Wiley, 1984).
• B.R. Martin and G. Shaw, “Particle Physics” (Wiley, 2017).

Câu hỏi và Giải đáp

Nếu quark không thể tồn tại độc lập, làm thế nào các nhà khoa học xác nhận sự tồn tại của chúng?

Trả lời: Mặc dù quark không thể được quan sát riêng lẻ, sự tồn tại của chúng đã được suy ra từ các thí nghiệm tán xạ deeply inelastic scattering. Trong các thí nghiệm này, các lepton năng lượng cao (như electron) được bắn vào proton và neutron. Kết quả tán xạ cho thấy proton và neutron được cấu tạo từ các thành phần điểm dạng, mang điện tích phân số, chính là các quark. Phân bố mô men của các quark bên trong nucleon cũng phù hợp với tiên đoán của mô hình quark.

Vai trò của gluon trong mô hình quark là gì? Làm thế nào chúng liên quan đến tương tác mạnh?

Trả lời: Gluon là các hạt mang tương tác mạnh, giống như photon mang tương tác điện từ. Chúng liên kết các quark với nhau bên trong hadron. Gluon cũng mang màu sắc, cho phép chúng tương tác với cả quark và với nhau. Chính sự trao đổi gluon giữa các quark tạo nên lực mạnh.

Sự khác biệt giữa quark hóa trị và biển quark là gì?

Trả lời: Quark hoá trị quyết định các số lượng tử của hadron (ví dụ, điện tích, số baryon, hương). Ví dụ, proton có ba quark hoá trị (uud). Biển quark, mặt khác, là một “biển” gồm các cặp quark-antiquark ảo liên tục được tạo ra và hủy diệt bên trong hadron do các gluon. Biển quark đóng góp vào một số tính chất của hadron, như khối lượng và spin, nhưng không ảnh hưởng đến các số lượng tử của nó.

Làm thế nào mô hình quark giải thích sự đa dạng của các hạt hadron được quan sát?

Trả lời: Mô hình quark giải thích sự đa dạng của hadron bằng cách cho phép các quark kết hợp theo nhiều cách khác nhau. Ba quark có thể kết hợp để tạo thành baryon, trong khi một quark và một antiquark có thể kết hợp để tạo thành meson. Sự đa dạng về hương quark (u, d, s, c, b, t) cùng với các trạng thái spin và mômen động lượng quỹ đạo khác nhau dẫn đến một loạt các hadron với các tính chất khác nhau.

Giả sử giam hãm quark không tồn tại, thế giới sẽ như thế nào?

Trả lời: Nếu giam hãm quark không tồn tại, quark có thể tồn tại tự do. Điều này sẽ dẫn đến một vũ trụ rất khác biệt. Hạt nhân nguyên tử, được cấu tạo từ proton và neutron (được tạo thành từ quark), sẽ không tồn tại theo cách chúng ta biết. Vật chất như chúng ta biết sẽ không thể hình thành. Vũ trụ sẽ là một “súp” quark và gluon tự do, thay vì được tạo thành từ các nguyên tử và phân tử. Sự tồn tại của sự sống như chúng ta biết là rất khó xảy ra trong một vũ trụ như vậy.